光学频率梳可简单理解为频率和相位稳定的锁模激光器，产生于人们对更加准确的时间基准和在此基础上的高精密测量技术的追求。
与发射单个频率的常规激光器不同，通过对激光腔长和内部介质的色散负反馈调节及激光脉冲的载波和包络之间的相对相位调节，可以获得发射多个频率，且频率间隔相等的稳定梳齿光学频率梳（锁模激光器），如图1所示。
图1. 在量子级联激光器中产生光学频率梳。（源自：Jared Sisler /哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院）
在环境监测、化学传感、分子光谱校正、阿秒脉冲的产生、光通信、精密测距、高精度计量和计时等各个领域具有广泛的应用。
基于半导体激光器的光学频率梳代表性的系统是通过量子级联激光器和锁模的垂直腔半导体激光器产生光学频率梳。目前是有希望真正实现芯片级集成化光学频率梳的技术之一，但是如今的芯片级集成化光学频率梳是被动的，都需要从外部以光学方式抽运能量，增加了系统的尺寸和复杂性。且该激光频率梳会产生许多在无线光通信应用中无用的杂散光。这些问题都将会影响激光频率梳在集成化和光通信等方面的应用。
哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院Federico Capasso教授和Vinton Hayes研究员领导的研究团队，通过在环形量子级联激光器中引入小缺陷，创造了光梳所需的逆传播波，产生了光学损耗非常低的激光频率梳。研究人员认为在环形量子级联激光器中引入小缺陷（如图2所示），产生了光波的波动不稳定性。
图2. 环形量子级联激光器缺陷结构电子显微镜图像。空气缝作为一个反射点在波导，诱导反向传播的波。（源自: Marco Piccardo /哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院）
在波动不稳定性中，一个小扰动变得越来越大并相互作用，就像在湍流（在流体中，当一个有序的流体流动破裂成越来越小的漩涡，这些漩涡相互作用，直到系统最终破裂成混沌时，就会发生湍流。）中一样。然后，这些相互作用产生稳定的频率梳（特定类型的高精度激光），如图3所示。此外，用于抽运激光的电流的小波动也会导致环形激光器光波的不稳定性产生。
图3. 环形波导制作的单片半导体激光器的显微镜图像。当启动时，这些激光器中的光表现出湍流流，就像暴风云的运动，这种湍流是产生新激光频率梳的关键。（源自: Marco Piccardo/哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院）
研究团队成员Benedikt Schwarz说：“我们不仅改变了激光频率梳的几何结构，还发现了一个全新的系统，在这个系统中，我们创造了这些设备，并在这样做的过程中，重塑了激光的基本定律。”
环形激光频率梳可以通过注入电流来产生自己的光，可以被用作集成光子电路上的电泵微谐振器，解决了光子集成回路中无源微谐振器与有源频率梳相互之间的连接障碍，降低了系统的尺寸和复杂性，在环境监测、光通信与便携式传感等应用中更加高效和紧凑，具有重要的基础和技术意义。
原文链接：https://phys.org/news/2020-06-turbulence-frequency-small-lasers.html
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