科學(xué)家在可設計的空間相干光方面取得進(jìn)展
1960年第一臺紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái)，激光器的種類(lèi)越來(lái)越多，主要有固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、染料激光器以及自由電子激光器等。激光又名受激輻射光放大，產(chǎn)生的三要素是：激光增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔。
絕大多數激光器的輸出頻率是固定的或在很小的范圍內變化，有些頻率的激光還難以使用普通方法產(chǎn)生出來(lái)，在一些實(shí)際應用中需要與光學(xué)頻率變換技術(shù)相結合以獲得各種波長(cháng)的相干輻射源。激光的本質(zhì)是物質(zhì)與光的相互作用，自然界中繽紛多姿的色彩也體現了各種物質(zhì)對不同頻率光的響應特性，因此光學(xué)頻率變換技術(shù)一直是光學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。
光學(xué)頻率變換技術(shù)是指不經(jīng)過(guò)光電處理，直接在光域內將某一波長(cháng)（頻率）的光信號直接變換到另外的一個(gè)波長(cháng)（頻率）上。從設計特定的能級實(shí)現可調波段的熒光、到倍頻與光學(xué)參量調制等非線(xiàn)性光學(xué)，各種不同的頻率變換技術(shù)逐漸被人們所認識。如何在頻率調制的同時(shí)實(shí)現光束的空間相干性，是該領(lǐng)域面臨的最為關(guān)鍵的挑戰之一。
過(guò)去的研究認為，只有當激發(fā)中心具備三能級、四能級或準四能級的寬帶二能級系統的電子結構時(shí)，該激發(fā)中心才有可能在泵浦下實(shí)現粒子數反轉，并通過(guò)受激輻射過(guò)程形成具備時(shí)間－空間相干性的激光模式。如該光束通過(guò)非線(xiàn)性過(guò)程獲得了展寬，則可以得到相對寬譜段的空間相干光或稱(chēng)之為部分相干光，即超連續譜。如果激發(fā)中心的電子結構不具備這樣的電子結構，僅能體現簡(jiǎn)單的吸收譜特征，但又與晶格基質(zhì)間形成了較強的耦合關(guān)系時(shí)，是否能夠獲得具備可調致特性的空間相干光出射呢？
近日，中國科學(xué)院半導體研究所張麟德特聘研究員和林學(xué)春研究員為首的研究團隊受高熵合金的設計思路的啟發(fā)，通過(guò)低熔點(diǎn)熔鹽策略構建了高熵玻璃體系（HEGS），并基于該體系的展寬聲子與吸收模式協(xié)同作用實(shí)現了可設計的空間相干頻率變換的輻射過(guò)程。使用520 nm綠光泵浦樣品，會(huì )形成具有空間相干性的紅光、黃光、藍光等一系列頻率的出射光（圖1）。
圖1 綠光泵浦后出射的一系列頻率的光
研究團隊基于高熵策略設計的HEGS表現出寬譜段的紅外吸收特性，形成了對應的高頻光學(xué)支聲子或許可的多聲子過(guò)程。以HEGS中摻雜的釹離子作為發(fā)光中心，在其吸收泵浦光后，通過(guò)高頻光學(xué)支聲子或許可的多聲子過(guò)程產(chǎn)生寬譜段輻射過(guò)程，即展寬的聲子輔助寬譜段輻射（BPAWR）。無(wú)吸收譜段上的輻射過(guò)程不斷進(jìn)行受激輻射，而吸收譜段上的輻射過(guò)程轉變?yōu)橄囊龑w系內的模式競爭，最終使出射光產(chǎn)生強的空間相干性，也即自吸收相干調制（SACM）過(guò)程。
圖2 BPAWR－SACM過(guò)程的機理
BPAWR－SACM過(guò)程的泵浦與頻移間的頻率差，信號與泵浦光間的時(shí)延，紅移／藍移部分的強度比，以及該過(guò)程的產(chǎn)生閾值與傳統的光學(xué)過(guò)程（如熒光、磷光、拉曼和倍頻）存在著(zhù)較大差異。這些現象證實(shí)了無(wú)需非線(xiàn)性過(guò)程即可獲得特定頻率范圍的空間相干輻射。此外，由于HEGS內蘊復雜的聲子模式及其和／差頻，一個(gè)波長(cháng)的信號光可以通過(guò)多個(gè)波長(cháng)的泵浦光同時(shí)放大，因此可以通過(guò)BPAWR－SACM過(guò)程對材料中無(wú)吸收頻段的信號進(jìn)行放大，在光通訊、超連續光譜、激光放大等方面有潛在應用。
圖3 不同激發(fā)波長(cháng)下的頻移（左）和信號與泵浦光間的時(shí)延（右）
基于稀土離子摻雜的HEGS，通過(guò)吸收譜的線(xiàn)型設計，與特定的泵浦光匹配，不用借助諧振腔，即可獲得任意波長(cháng)的空間相干光出射。BPAWR－SACM具有很小的空間發(fā)射角，能夠實(shí)現任意波長(cháng)／譜段的部分／時(shí)空相干光的輸出，理論上可以基于該過(guò)程設計任意波長(cháng)的激光器、激光放大器和多波長(cháng)激光器。也可以通過(guò)BPAWR－SACM對超短脈沖過(guò)程進(jìn)行能量轉移與放大，結合CPA技術(shù)可以進(jìn)一步放大單脈沖的能量。此外，可以在可見(jiàn)光波段提供一系列的頻率調制能力，從而實(shí)現在可見(jiàn)光波段的波分復用通訊技術(shù)。
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