Optisk frekvenskam tilbyder en bekvem måde at generere undvigende terahertz -frekvenser på

Optiske frekvenskamme er meget udbredt, højpræcisionsværktøjer til måling og detektering af forskellige frekvenser-a.k.a. farver - af lys. I modsætning til konventionelle lasere, som udsender en enkelt frekvens, disse lasere udsender flere frekvenser samtidigt. Frekvenserne med lige stor afstand ligner tænderne på en kam. Optiske frekvenskamme bruges til alt lige fra måling af specifikke molekylers fingeraftryk til detektion af fjerne eksoplaneter.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) undersøger muligheden for at bruge en infrarød frekvenskam til at generere undvigende terahertz -frekvenser. Disse frekvenser - som ligger i det elektromagnetiske spektrum mellem radiobølger og infrarødt lys - har længe lovet at transformere kommunikation og sansning, men er meget udfordrende at skaffe. Ved at udnytte en nyligt opdaget lasertilstand, SEAS -forskere har opdaget en infrarød frekvenskam i en kvantekaskadelaser, der tilbyder en ny måde at generere terahertz -frekvenser på.

Døbte en harmonisk frekvenskam, dette nye system producerer et spektrum af tænder med afstand ti -to gange større end traditionelle frekvenskamme. Den store, men præcise afstand gør det muligt for disse lysmåder at slå sammen for at producere ekstremt rene terahertz -toner.

Forskningen er beskrevet i Natur fotonik .

"Opdagelsen af ​​den harmoniske tilstand af kvantekaskadelasere er overraskende ud fra et laserfysisk synspunkt, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Seniorforsker i elektroteknik og seniorforfatter af papiret. "Indtil for nylig, man troede, at multimode lasere normalt ville laske på alle de mulige frekvenser i hulrummet. I harmonisk tilstand, mange hulrumsfrekvenser springes over. Endnu mere bemærkelsesværdigt er, at denne opdagelse åbner uforudsete muligheder i ubrugte områder af det elektromagnetiske spektrum, terahertz. "

I traditionelle frekvenskamme, tænder adskilles med en lille frekvens dikteret af laserhulrumets karakteristiske længde - hvilket betyder, at tænder sidder tæt sammen. Den harmoniske frekvenskam, imidlertid, kan bruge et større multiplum af denne frekvens.

"Med dette nye kamregime kan vi omgå de strenge begrænsninger, der er fastsat af hulrumslængden, og nå en hidtil uset grad af fleksibilitet inden for kvantekaskade -laserfrekvenskamme, "sagde Marco Piccardo, en postdoktor i Capasso-laboratoriet og medforfatter af papiret.

Nøglen til forskningen var at bevise, at disse stort set adskilte tænder faktisk var lige langt fra hinanden. Ved hjælp af en anden referencekam, teamet var i stand til at studere det harmoniske frekvens kamspektrum ved meget høj opløsning.

"Vi viser, at linjerne er lige langt med en usikkerhed på kun 300 hertz, der kvantificerer den relative præcision af denne måling til fem dele pr. billioner, "sagde Dmitry Kazakov, en gæsteforskerpraktikant i Capasso-gruppen og medforfatter af papiret. "Det er som om man kunne måle afstanden fra Jorden til Månen og være mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår."

De fleste nuværende terahertz -generatorer bruger store, komplekse optiske systemer, der opererer ved nær nul-temperaturer for at producere terahertz-frekvenser. Den harmoniske frekvenskam fungerer ved stuetemperatur, bruger kommercielle kvantekaskade lasere, og er selvstartende, hvilket betyder, at laseren automatisk kan skifte til dette regime, når elektrisk strøm injiceres i enheden.

"Dette åbner helt nye applikationer for frekvenskamme, især inden for trådløs kommunikation, "Capasso sagde." Vi forudser, at dette kamregime i den nærmeste fremtid vil muliggøre en ny klasse af chip-modem, der fungerer ved terahertz-frekvenser, imødekomme den stadigt stigende forbrugernes efterspørgsel efter digital datakommunikation med høj datahastighed. "