从无序到有序：光的湍流创造频率梳
封面图：用环形波导制造的半导体激光器的显微图像。当激光器开始工作，光腔中的光表现出湍流，就像暴风雨后云的运动一样，而这种湍流正是产生新频率梳的关键。
撰稿 | 刘艳玲
无论是炎热的夏季长时间暴晒后马路上蒸腾的热气，还是天空中的云卷云舒，抑或是熄灭的蜡烛产生的羽状的烟雾这些都是我们生活中常见的湍流，但你见过湍流在激光中会产生什么影响吗。
近日来自奥地利（维也纳工业大学），美国（哈佛大学，耶鲁大学）和意大利（都灵理工大学）等国际研究人员团队在顶刊 Nature 上发表文章，他们利用光中的湍流来制造一种特定类型的高精度激光——激光频率梳。
随着技术进步光学频率梳的应用非常广泛，例如在光谱学和化学传感，任意射频波形生成，光通信和量子信息等方面。与普通激光只有一个固定波长不同，频率梳是由不同的光频率组成，这些光频率以规则的距离精确排列，类似于梳齿，通常产生这种频率梳非常困难，而研究人员使用简单的圆形量子级联激光器成功产生了这种特殊类型的光，分析证明，在空气动力学或水波中已知的湍流，是产生这种特殊类型的光的原因。
经过数十年的研究，光学频率梳一直在快速发展，并彻底改变了光学计量学，随着半导体和介电材料处理的发展，频率梳发生器结构更加紧凑。在集成光学领域内，特别令人感兴趣的是两类发生器：半导体激光器和无源微谐振器; 后者泵浦是外部连续波激光器，其增益源自克尔非线性效应，在这两种情况下，设备均从单频运转开始。
为了产生频率梳，需要在腔中存在能够在不同频率下产生模式、耦合模式并锁定其相位的机制。在微谐振器中，超过参数不稳定性阈值时，外部泵浦会引发边带，该边带会通过级联参数过程而增长并扩散。这种相干的非线性过程引起了锁相频率梳。在Fabry–Pérot半导体激光器中，多模运转是由非均匀增益饱和引发的，而腔内驻波（图1a）导致增益的空间变化，称为空间烧孔（SHB）。在色散腔中，SHB导致非等距频率的模式激增，并且由于增益介质本身的非线性效应可以实现相位锁定。
图1：Fabry–Pérot腔示意图、腔内驻波以及粒子数反转
图源：Frequency combs induced by phase turbulence（Fig. 1）
一般认为由于没有明确定义的破坏圆对称性的反射点，环形腔中不会出现空间烧孔（SHB），但作者证明了，由于在金茨堡-朗道理论（complex Ginzburg–Landau equation：CGLE）中被称为相位湍流的现象，半导体环形激光器仍会经历单模不稳定性，并且即使在没有空间或频率烧孔的情况下，也会形成光学频率梳。多模辐射和梳状形成发生在略高于激光阈值泵浦水平上，这与Risken-Nummedal-Graham-Haken不稳定性形成对比，还促进了环形激光器的多模运转，但是非实际泵浦水平至少比阈值高9倍。
产生环形频率梳的可能性
环状QCL可以发出中红外光，并在恒定电注入的情况下可以在室温工作，在注入水平仅略高于激光阈值Jth的情况下，环形激光器会经历向多模态的过渡（图3），这与在Fabry-Pérot QCL观察到的明显不同。
图3：左图Fabry-Pérot QCL，右图环形QCL频率梳的实验光谱
图源：Frequency combs induced by phase turbulence（Fig. 1）
可见环状QCL的光谱具有较少的模式，并呈现出钟形的包络。与常规的Fabry-Pérot激光器不同的是，随着设备中电流的增加，QCL激光器可以恢复到单模工作状态（图4）
通过缺陷设计引入湍流
在流体中，当有序的流体流分裂成越来越小的涡旋时，就会发生湍流，而涡旋会相互影响，直到系统最终陷入混乱。鉴于此，采取波不稳定的形式，其中小的干扰变得越来越大，并最终支配了系统的动力学。研究人员发现，即使在理想的环形激光器中，用于泵浦激光器的电流的微小波动也会导致光波的不稳定。就像在湍流中一样，这些不稳定性不断增长并相互作用。这些相互作用随后导致出现稳定的频率梳。
而环形激光器在产生频率梳时存在一个基本问题：一个完整的圆圈传播的光束只能沿一个方向（顺时针或逆时针）传播，因此不能自然耦合。但是在考虑金茨堡-朗道理论引入的相位湍流后，在经历相对较长的时间间隔（大约40万次往返）之后，激光可以到达频率梳状态，在该状态时强度开始周期性变化，并且每次往返都会重复之前的波形。
b. 不存在位错。
因此在环形腔中，必须有意引入类似的反射点（缺陷）。研究人员通过聚焦离子束光刻技术在环形激光波导上蚀刻一条狭窄的缝隙（图6a），以在激光器的工作物质区域中形成气隙。实验表明，加入缺陷的环形QCL产生的频率梳与没有缺陷的环形QCL的频谱截然不同（图6c），光谱具有不规则的包络线（这是复杂的激光模式竞争的结果）
图6：引入缺陷设计的环形频率梳
图源：Frequency combs induced by phase turbulence（Fig. 3）
优势
1. 当今的芯片级微谐振器是无源的，这意味着需要从外部光学泵浦获取能量，从而增加了系统尺寸和复杂性。但是环形激光器仅通过注入电流就可以产生光学频率梳。
2. 环状QCL可以产生微谐振器未覆盖的电磁频谱区域。
通过将相位湍流引入环形QCL中，研究人员不仅改变了激光频率梳的几何形状，还发现了一个全新的系统来创建这些设备，未来，这些设备可用作集成光子电路上的电泵微谐振器。
电泵微谐振器的环形QCL具有巨大的技术潜力，尤其是考虑到QCL涵盖的关键光谱范围。在这个方向上的进一步改进应该集中在高效的光耦合器的设计上（在不影响相位湍流不稳定性的物理原理的前提下）以及带宽的扩展。
文章信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2386-6
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