環形激光器。

空氣縫作為(wei) 波導中的反射點，誘導了反向傳(chuan) 播的波。

空氣和水都能形成湍流，光也不例外。

《自然》雜誌6月17日報道，美國哈佛大學工程與(yu) 應用科學學院（SEAS）研究人員Federico Capasso等，利用光湍流創建了一種特定類型的高精度激光（頻率梳）。該發現可用於(yu) 設計新一代光譜學和傳(chuan) 感設備。

頻率梳被廣泛應用於(yu) 環境監測、化學傳(chuan) 感、係外行星搜索和光通信等諸多領域。與(yu) 傳(chuan) 統單頻激光器不同，頻率梳可同步發射多頻率、均勻周期的高精度激光。Capasso團隊一直致力於(yu) 頻率梳的研究，希望它能夠變得更加高效和靈巧，以適用於(yu) 便攜式通訊、傳(chuan) 感設備。

2019年，Capasso團隊攻克了以激光頻率梳傳(chuan) 輸無線信號的難題，創造出第一台激光無線電發射器。研究人員使用形狀類似Kit Kat巧克力棒的半導體(ti) 量子級聯激光器，製造了端-端反彈光頻率梳。反彈光產(chan) 生反向傳(chuan) 播的波，波相互作用產(chan) 生不同頻率的頻率梳。

然而，這些設備仍然會(hui) 發出很多對無線電通信應用無用的光。論文第一作者Marco Piccardo說：“在進行新研究時，我們(men) 關(guan) 注的主要問題是幾何形狀。”

因此，研究人員將目光轉向了環形量子級聯激光器。受形狀影響，這種激光器的光損耗非常低。

然而，環形激光器產(chan) 生頻率梳時存在一個(ge) 根本性問題：光隻能沿順時針或逆時針方向傳(chuan) 播，無法產(chan) 生反向傳(chuan) 播的波。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，研究人員決(jue) 定在環狀激光器中引入一個(ge) 小缺陷。

當研究人員進行實驗時，結果讓他們(men) 大吃一驚。有缺陷的圓環狀激光器竟然產(chan) 生了頻率梳，這與(yu) 之前的理論相悖。維也納技術大學研究人員Benedikt Schwarz說：“我們(men) 在不抱期望的實驗中達到了目的。這似乎與(yu) 目前的激光理論相矛盾。”

研究人員希望對此現象進行解釋。最終，“湍流”概念進入了他們(men) 的視野——在流體(ti) 中，有序的流體(ti) 分裂出越來越小的漩渦，漩渦相互作用並使係統最終陷入混亂(luan) 時，就會(hui) 產(chan) 生湍流。Piccardo等發現，用於(yu) 泵送激光的電流的微小波動會(hui) 導致光波出現微弱的不穩定性，即使在“完美”的環形激光器中也是如此。穩定性不斷疊加並相互作用，最終導致穩定頻率梳的產(chan) 生。

Piccardo說：“我們(men) 不僅(jin) 改變了激光頻率梳的幾何形狀，還發現了一個(ge) 全新的係統。在這個(ge) 過程中，我們(men) 重塑了激光的基本定律。”

在未來，這類器件有望用於(yu) 集成光子電路中的電泵微諧振器。目前使用的芯片級微諧振器是被動式的，能量需要從(cong) 外部光學泵入，係統規模較大、複雜性較高。而環形激光頻率梳是主動式的，可通過注入電流產(chan) 生自屬光。此外，它還能提供微諧振器未覆蓋的電磁頻譜區域的訪問權限。

Capasso說：“我們(men) 向著連接被動式諧振器與(yu) 主動式頻率梳邁出了第一步。將兩(liang) 種設備的優(you) 勢結合在一起，對基礎、應用研究有重要意義(yi) 。”

編譯：雷鑫宇 

期刊來源：《自然》

期刊編號：0028-0836

原文鏈接：https://www.seas.harvard.edu/news/2020/06/order-disorder