環形激光器。

空氣縫作為波導中的反射點，誘導了反向傳播的波。

空氣和水都能形成湍流，光也不例外。

《自然》雜志6月17日報道，美國哈佛大學工程與應用科學學院（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）。該發現可用于設計新一代光譜學和傳感設備。

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

2019年，Capasso團隊攻克了以激光頻率梳傳輸無線信號的難題，創造出第一臺激光無線電發射器。研究人員使用形狀類似Kit Kat巧克力棒的半導體量子級聯激光器，制造了端-端反彈光頻率梳。反彈光產生反向傳播的波，波相互作用產生不同頻率的頻率梳。

然而，這些設備仍然會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，我們關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，環形激光器產生頻率梳時存在一個根本性問題：光只能沿順時針或逆時針方向傳播，無法產生反向傳播的波。為了解決這個問題，研究人員決定在環狀激光器中引入一個小缺陷。

當研究人員進行實驗時，結果讓他們大吃一驚。有缺陷的圓環狀激光器竟然產生了頻率梳，這與之前的理論相悖。維也納技術大學研究人員Benedikt Schwarz說：“我們在不抱期望的實驗中達到了目的。這似乎與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”概念進入了他們的視野——在流體中，有序的流體分裂出越來越小的漩渦，漩渦相互作用并使系統最終陷入混亂時，就會產生湍流。Piccardo等發現，用于泵送激光的電流的微小波動會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。穩定性不斷疊加并相互作用，最終導致穩定頻率梳的產生。

Piccardo說：“我們不僅改變了激光頻率梳的幾何形狀，還發現了一個全新的系統。在這個過程中，我們重塑了激光的基本定律。”

在未來，這類器件有望用于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，能量需要從外部光學泵入，系統規模較大、復雜性較高。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：“我們向著連接被動式諧振器與主動式頻率梳邁出了第一步。將兩種設備的優勢結合在一起，對基礎、應用研究有重要意義。”

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