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NIST電光激光器的脈衝比通常的超快光快100倍

發布（bù）時間：2020-03-17 作者：來源：瀏覽：3530

上圖顯示了NIST超快電光激光（guāng）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（huò）光（guāng）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製造出了一種激光器（qì），這種激（jī）光器的脈衝頻率是（shì）傳統超快激光器的100倍。這一進展可能會將（jiāng）超快科學的優勢擴展（zhǎn）到實時生物材料成像等新（xīn）的應用領域。

製造電光激光器的技術已（yǐ）經存在了50年，這項技術（shù）看似簡單，但到目前為止，研（yán）究人員還無法通過電子切換光來產生超快脈衝並（bìng）消除（chú）電子噪音或幹（gàn）擾。

2018年9月28日的《科學》期刊發表了一（yī）篇論文，介紹了NIST科（kē）學家開發的（de）一（yī）種濾波方法，可以減少熱引發的（de）幹（gàn）擾，從而避免這種幹擾破壞電子合成光（guāng）的一致性（xìng）。

“我們用鋁罐來（lái）控製光，”項目負責人Scott Papp說，他指的是用於（yú）穩定和過濾（lǜ）電子信號（hào）的“空腔”。當信號在一個像汽水罐一樣的容器裏來回彈跳（tiào）時（shí），固定波以最強的頻率出現，並阻擋（dǎng）或濾除其他頻率。

如圖所示（shì），NIST的超快電光激光器依靠這種（zhǒng）鋁“罐”來穩定和過濾電子信號（hào），這些電子信（xìn）號在裏麵來回彈跳，直到最（zuì）強頻率的固定波出現，並阻擋或濾除其他頻率。超快（kuài）指的是持續時（shí）間為皮秒（萬億分之一秒）到飛秒（千（qiān）萬億分之一秒（miǎo））。這比幾年前納米技術領域引入文化詞（cí）典的納米級機（jī）製（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（de）精確“標尺”。頻率梳通常由精密的“鎖模”激光器（qì）製成，這種激光器形成的脈衝（chōng）是由許（xǔ）多不同顏色的光波重疊（dié）而成，在光學（xué）頻率和微波頻率之間建立聯係。光（guāng）信號和微波信號的互操作推動了通信、計時和量子（zǐ）傳感係統的最新發展。

相比之下，NIST的新型電光激（jī）光器將微波電子振動施加在（zài）以（yǐ）光學頻率運（yùn）作的一種連續波激光器上，從而有效地將脈衝刻入激光中（zhōng）。

“不論是何種超快激光器，每個脈衝持續，比如，20飛秒（miǎo），”該論文的（de）第一作者David Carlson說道。“在鎖模激光（guāng）器（qì）中，脈衝（chōng）每10納秒發出一次。在我們的電（diàn）光（guāng）激光（guāng）器中，脈衝每100皮秒就發出一次。所以這就是（shì）加速，超快脈衝的速度能提高100倍甚至（zhì）更多（duō）。”

“化學和生物（wù）成像非（fēi）常適合應用這類激（jī）光器，”Papp說道。“用（yòng）超快脈衝（chōng）探測生物樣品（pǐn）既提供了成像信息（xī），也提供了（le）化學組成信息。利用（yòng）我們的技術，這種成像技術可（kě）以（yǐ）大大加快速（sù）度。因此，目前需要（yào）一分鍾的高光譜成像（xiàng）在某（mǒu）一（yī）天可能就會實現實時成（chéng）像。”

為（wéi）了製造電光激光器，NIST的研（yán）究人員從一個紅外連續波激光器開始，用（yòng）諧振腔穩定的振（zhèn）蕩（dàng）器產生脈衝，諧振腔提供了相當於存儲器（qì）的作用，以確保所有脈衝都（dōu）是相同的。激光器以微波的速度（dù）產生光（guāng）脈衝，每個脈衝（chōng）通過一個微芯（xīn）片波導結構在頻率梳中（zhōng）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（pì）美，Papp這般說道。該激光（guāng）器是（shì）由市售電信和微波元件組成的（de），整個係統非常可靠。可靠性和準確性的結合使電光梳非常適合對光學時鍾（zhōng）網絡、通信（xìn）係統或傳感係統進行長期測（cè）量，對於這些係統而言，數據的采集速度需要超過（guò）目前（qián）的速度。

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

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