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NIST電光激光器的脈沖比通常的超快光快100倍

發(fā)布時(shí)間：2020-03-17 作者：來(lái)源：瀏覽：6745

上圖顯示了NIST超快電光激光器中電子的背景噪聲（藍(lán)色）如何發(fā)出特定頻率或顏色的光（峰值）。垂直背景顯示了這些顏色如何組合形成光學(xué)頻率梳或光的“標(biāo)尺”。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的物理學(xué)家們利用普通電子器件制造出了一種激光器，這種激光器的脈沖頻率是傳統(tǒng)超快激光器的100倍。這一進(jìn)展可能會(huì)將超快科學(xué)的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到實(shí)時(shí)生物材料成像等新的應(yīng)用領(lǐng)域。

制造電光激光器的技術(shù)已經(jīng)存在了50年，這項(xiàng)技術(shù)看似簡(jiǎn)單，但到目前為止，研究人員還無(wú)法通過(guò)電子切換光來(lái)產(chǎn)生超快脈沖并消除電子噪音或干擾。

2018年9月28日的《科學(xué)》期刊發(fā)表了一篇論文，介紹了NIST科學(xué)家開(kāi)發(fā)的一種濾波方法，可以減少熱引發(fā)的干擾，從而避免這種干擾破壞電子合成光的一致性。

“我們用鋁罐來(lái)控制光，”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Scott Papp說(shuō)，他指的是用于穩(wěn)定和過(guò)濾電子信號(hào)的“空腔”。當(dāng)信號(hào)在一個(gè)像汽水罐一樣的容器里來(lái)回彈跳時(shí)，固定波以最強(qiáng)的頻率出現(xiàn)，并阻擋或?yàn)V除其他頻率。

如圖所示，NIST的超快電光激光器依靠這種鋁“罐”來(lái)穩(wěn)定和過(guò)濾電子信號(hào)，這些電子信號(hào)在里面來(lái)回彈跳，直到最強(qiáng)頻率的固定波出現(xiàn)，并阻擋或?yàn)V除其他頻率。超快指的是持續(xù)時(shí)間為皮秒（萬(wàn)億分之一秒）到飛秒（千萬(wàn)億分之一秒）。這比幾年前納米技術(shù)領(lǐng)域引入文化詞典的納米級(jí)機(jī)制（納秒是十億分之一秒）還要快。

傳統(tǒng)的超快光源是光學(xué)頻率梳，它是光的精確“標(biāo)尺”。頻率梳通常由精密的“鎖模”激光器制成，這種激光器形成的脈沖是由許多不同顏色的光波重疊而成，在光學(xué)頻率和微波頻率之間建立聯(lián)系。光信號(hào)和微波信號(hào)的互操作推動(dòng)了通信、計(jì)時(shí)和量子傳感系統(tǒng)的最新發(fā)展。

相比之下，NIST的新型電光激光器將微波電子振動(dòng)施加在以光學(xué)頻率運(yùn)作的一種連續(xù)波激光器上，從而有效地將脈沖刻入激光中。

“不論是何種超快激光器，每個(gè)脈沖持續(xù)，比如，20飛秒，”該論文的第一作者David Carlson說(shuō)道。“在鎖模激光器中，脈沖每10納秒發(fā)出一次。在我們的電光激光器中，脈沖每100皮秒就發(fā)出一次。所以這就是加速，超快脈沖的速度能提高100倍甚至更多。”

“化學(xué)和生物成像非常適合應(yīng)用這類(lèi)激光器，”P(pán)app說(shuō)道。“用超快脈沖探測(cè)生物樣品既提供了成像信息，也提供了化學(xué)組成信息。利用我們的技術(shù)，這種成像技術(shù)可以大大加快速度。因此，目前需要一分鐘的高光譜成像在某一天可能就會(huì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像。”

為了制造電光激光器，NIST的研究人員從一個(gè)紅外連續(xù)波激光器開(kāi)始，用諧振腔穩(wěn)定的振蕩器產(chǎn)生脈沖，諧振腔提供了相當(dāng)于存儲(chǔ)器的作用，以確保所有脈沖都是相同的。激光器以微波的速度產(chǎn)生光脈沖，每個(gè)脈沖通過(guò)一個(gè)微芯片波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在頻率梳中產(chǎn)生更多顏色。

這種電光激光器具有前所未有的速度，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性可與鎖模激光器相媲美，Papp這般說(shuō)道。該激光器是由市售電信和微波元件組成的，整個(gè)系統(tǒng)非常可靠。可靠性和準(zhǔn)確性的結(jié)合使電光梳非常適合對(duì)光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)或傳感系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量，對(duì)于這些系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)的采集速度需要超過(guò)目前的速度。

該項(xiàng)研究得到了美國(guó)空軍科研辦公室、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局、美國(guó)國(guó)家航空航天局、NIST和國(guó)家研究委員會(huì)的支持。

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