科學家們在光學微諧振腔中的開發了一種新型的頻率梳

來自羅蒙諾索夫莫斯科莫斯科國立大學物理系的研究小組與俄羅斯量子中心的科學家共同開發了一種新的數學模型，該模型描述了光學微諧振腔中孤子產生的過程。物理學家了解了現有的影響並學會預測新效應後，他們將能夠創造出高精度的設備和通用的光學振蕩器。這項工作發表在Optics Express（"Raman-Kerr frequency combs in microresonators with normal dispersion"）上。

一個與光波導相關聯的微諧振腔中形成的梳狀物。（圖像來源：Mikhail Gorodetsky）

一年前，由俄羅斯聯邦理工大學物理系教授Mikhail Gorodetsky領導的一個科學家小組和RQC的科學領導者開發了一種控制所謂光學微諧振腔中孤子數量的方法。微型諧振腔是現代光子學的基礎，現代光子學是一種專門研究光學信號的科學。諧振腔是一個環形光阱，在光阱中一個光子在諧振腔的側壁上反射很多次，並在側壁間往返。

如果諧振腔的建築材料的折射率是非線性的並且是波長的特定函數，則孤子是出現在諧振腔中的孤立的局部波。在這種情況下，激光束在共振器內進行多次循環後，分裂成獨立的孤子（即自動聚焦並轉變為飛秒長的脈衝）。

當使用這些諧振腔時，科學家們特別關注所謂的孤子「光梳」，它出現在具有典型梳狀光譜的諧振腔中，其中兩個相鄰峰之間的距離等於光所需繞整個圈子的反比延遲。這樣的光梳子可以用於解決許多應用的問題。

問題在於基於氟化鎂（MgF2）或熔融二氧化硅的諧振腔中出現的有用光梳與許多負面影響相關。這些包括所謂的組合或拉曼散射。它是由物質中分離分子的振蕩引起的。到達這種物質的表面後，光線以另一種波長再發射。

該效應有一個閾值，取決於輻射的強度和物質的組成，並導致孤子的破壞和光譜失真。當創建描述微諧振子效應的方程式時，科學家通常不會深入研究這種效應的本質，而只對方程進行一些修正即可。

在這篇新論文中，研究人員研究了這種效應的性質，並開發了新的方程來描述考慮到拉曼散射的光梳的生成。方程組系統可以用於數值模擬光諧振腔中出現的效應。

Gorodetsky教授解釋說：「我們使用這些方程來檢查具有反常色散的諧振腔中的光的行為，並獲得了以前已知的效應。因此，我們已經測試了我們的理論。在此之後，我們將其用於具有正常色散的光梳（具有穩定的峰值的脈衝）而不是孤子。」

這個新的模型使科學家們能夠預測許多以前未知的效應。例如，在正常色散脈衝由於拉曼散射而大大失真的情況下。它們被破壞，開始分裂等等。成熟的數學工具對於科學家們來說是非常重要的，因為他們知道如何在具有規則分散的環境中獲得光學梳子，這是我們周圍大多數物質的特徵。預計進一步的實驗將證明關於這個例子的結論。

「目前，世界上只有少數幾個實驗室正在研究孤子梳，與我們的瑞士同事一起，我們是第一個證明了這一點，特別是在高精度光譜學中最近它們被廣泛應用，在電信網路和激光雷達中以提高信息交換速度。「Gorodetsky解釋說，「前一段時間，德國的科學家們用光學梳子來精確地確定一顆正在移動的子彈的形狀，並設法看到它是如何由於空氣阻力而發生變化的。」

光梳為科學家們提供了開發僅基於一個晶元的光振蕩器，並以任何現有激光器和其他發生器不可能達到的預設頻率發光的前景。此外，它們可以作為用於分析物質組成的微型光譜儀的基礎。目前這項任務需要相當龐大的設備。

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