NIST電光激光器的脈沖比通常的超快光快100倍

發布時間：2020-03-17 作者：來源：瀏覽：6886

上圖顯示了NIST超快電光激光器中電子的背景噪聲（藍色）如何發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頻率梳或光的“標尺”。

美國國家標準與技術研究院(NIST)的物理學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超快激光器的100倍。這一進展可能會將超快科學的優勢擴展到實時生物材料成像等新的應用領域。

制造電光激光器的技術已經存在了50年，這項技術看似簡單，但到目前為止，研究人員還無法通過電子切換光來產生超快脈沖并消除電子噪音或干擾。

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

“我們用鋁罐來控制光，”項目負責人Scott Papp說，他指的是用于穩定和過濾電子信號的“空腔”。當信號在一個像汽水罐一樣的容器里來回彈跳時，固定波以最強的頻率出現，并阻擋或濾除其他頻率。

如圖所示，NIST的超快電光激光器依靠這種鋁“罐”來穩定和過濾電子信號，這些電子信號在里面來回彈跳，直到最強頻率的固定波出現，并阻擋或濾除其他頻率。超快指的是持續時間為皮秒（萬億分之一秒）到飛秒（千萬億分之一秒）。這比幾年前納米技術領域引入文化詞典的納米級機制（納秒是十億分之一秒）還要快。

傳統的超快光源是光學頻率梳，它是光的精確“標尺”。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，在光學頻率和微波頻率之間建立聯系。光信號和微波信號的互操作推動了通信、計時和量子傳感系統的最新發展。

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

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

“化學和生物成像非常適合應用這類激光器，”Papp說道。“用超快脈沖探測生物樣品既提供了成像信息，也提供了化學組成信息。利用我們的技術，這種成像技術可以大大加快速度。因此，目前需要一分鐘的高光譜成像在某一天可能就會實現實時成像。”

為了制造電光激光器，NIST的研究人員從一個紅外連續波激光器開始，用諧振腔穩定的振蕩器產生脈沖，諧振腔提供了相當于存儲器的作用，以確保所有脈沖都是相同的。激光器以微波的速度產生光脈沖，每個脈沖通過一個微芯片波導結構在頻率梳中產生更多顏色。

這種電光激光器具有前所未有的速度，其準確度和穩定性可與鎖模激光器相媲美，Papp這般說道。該激光器是由市售電信和微波元件組成的，整個系統非常可靠。可靠性和準確性的結合使電光梳非常適合對光學時鐘網絡、通信系統或傳感系統進行長期測量，對于這些系統而言，數據的采集速度需要超過目前的速度。

該項研究得到了美國空軍科研辦公室、國防高級研究計劃局、美國國家航空航天局、NIST和國家研究委員會的支持。