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NIST电光激光器的脉冲比通常的超快光快100倍

发布时间：2020-03-17 作者：来源：浏览：3382

上图显示了NIST超快电光激光器中电子的背景噪声（蓝色）如何发出特定频率或颜色的光（峰值）。垂直背景显示了这些颜色如何组合形成光学频率梳或光的“标尺”。

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家们利用普通电子器件制造出了一种激光器，这种激光器的脉冲频率是传统超快激光器的100倍。这一进展可能会将超快科学的优势扩展到实时生物材料成像等新的应用领域。

制造电光激光器的技术已经存在了50年，这项技术看似简单，但到目前为止，研究人员还无法通过电子切换光来产生超快脉冲并消除电子噪音或干扰。

2018年9月28日的《科学》期刊发表了一篇论文，介绍了NIST科学家开发的一种滤波方法，可以减少热引发的干扰，从而避免这种干扰破坏电子合成光的一致性。

“我们用铝罐来控制光，”项目负责人Scott Papp说，他指的是用于稳定和过滤电子信号的“空腔”。当信号在一个像汽水罐一样的容器里来回弹跳时，固定波以最强的频率出现，并阻挡或滤除其他频率。

如图所示，NIST的超快电光激光器依靠这种铝“罐”来稳定和过滤电子信号，这些电子信号在里面来回弹跳，直到最强频率的固定波出现，并阻挡或滤除其他频率。超快指的是持续时间为皮秒（万亿分之一秒）到飞秒（千万亿分之一秒）。这比几年前纳米技术领域引入文化词典的纳米级机制（纳秒是十亿分之一秒）还要快。

传统的超快光源是光学频率梳，它是光的精确“标尺”。频率梳通常由精密的“锁模”激光器制成，这种激光器形成的脉冲是由许多不同颜色的光波重叠而成，在光学频率和微波频率之间建立联系。光信号和微波信号的互操作推动了通信、计时和量子传感系统的最新发展。

相比之下，NIST的新型电光激光器将微波电子振动施加在以光学频率运作的一种连续波激光器上，从而有效地将脉冲刻入激光中。

“不论是何种超快激光器，每个脉冲持续，比如，20飞秒，”该论文的第一作者David Carlson说道。“在锁模激光器中，脉冲每10纳秒发出一次。在我们的电光激光器中，脉冲每100皮秒就发出一次。所以这就是加速，超快脉冲的速度能提高100倍甚至更多。”

“化学和生物成像非常适合应用这类激光器，”Papp说道。“用超快脉冲探测生物样品既提供了成像信息，也提供了化学组成信息。利用我们的技术，这种成像技术可以大大加快速度。因此，目前需要一分钟的高光谱成像在某一天可能就会实现实时成像。”

为了制造电光激光器，NIST的研究人员从一个红外连续波激光器开始，用谐振腔稳定的振荡器产生脉冲，谐振腔提供了相当于存储器的作用，以确保所有脉冲都是相同的。激光器以微波的速度产生光脉冲，每个脉冲通过一个微芯片波导结构在频率梳中产生更多颜色。

这种电光激光器具有前所未有的速度，其准确度和稳定性可与锁模激光器相媲美，Papp这般说道。该激光器是由市售电信和微波元件组成的，整个系统非常可靠。可靠性和准确性的结合使电光梳非常适合对光学时钟网络、通信系统或传感系统进行长期测量，对于这些系统而言，数据的采集速度需要超过目前的速度。

该项研究得到了美国空军科研办公室、国防高级研究计划局、美国国家航空航天局、NIST和国家研究委员会的支持。

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