科學家在可設計的空間相干光方面取得進展
1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光器的種類越來越多，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，產生的三要素是：激光增益介質、泵浦源和諧振腔。
絕大多數(shù)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生出來，在一些實際應用中需要與光學頻率變換技術相結合以獲得各種波長的相干輻射源。激光的本質是物質與光的相互作用，自然界中繽紛多姿的色彩也體現(xiàn)了各種物質對不同頻率光的響應特性，因此光學頻率變換技術一直是光學研究的熱點之一。
光學頻率變換技術是指不經過光電處理，直接在光域內將某一波長（頻率）的光信號直接變換到另外的一個波長（頻率）上。從設計特定的能級實現(xiàn)可調波段的熒光、到倍頻與光學參量調制等非線性光學，各種不同的頻率變換技術逐漸被人們所認識。如何在頻率調制的同時實現(xiàn)光束的空間相干性，是該領域面臨的最為關鍵的挑戰(zhàn)之一。
過去的研究認為，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(tǒng)的電子結構時，該激發(fā)中心才有可能在泵浦下實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，并通過受激輻射過程形成具備時間－空間相干性的激光模式。如該光束通過非線性過程獲得了展寬，則可以得到相對寬譜段的空間相干光或稱之為部分相干光，即超連續(xù)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(xiàn)簡單的吸收譜特征，但又與晶格基質間形成了較強的耦合關系時，是否能夠獲得具備可調致特性的空間相干光出射呢？
近日，中國科學院半導體研究所張麟德特聘研究員和林學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)，通過低熔點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)同作用實現(xiàn)了可設計的空間相干頻率變換的輻射過程。使用520 nm綠光泵浦樣品，會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(xiàn)出寬譜段的紅外吸收特性，形成了對應的高頻光學支聲子或許可的多聲子過程。以HEGS中摻雜的釹離子作為發(fā)光中心，在其吸收泵浦光后，通過高頻光學支聲子或許可的多聲子過程產生寬譜段輻射過程，即展寬的聲子輔助寬譜段輻射（BPAWR）。無吸收譜段上的輻射過程不斷進行受激輻射，而吸收譜段上的輻射過程轉變?yōu)橄囊龑w系內的模式競爭，最終使出射光產生強的空間相干性，也即自吸收相干調制（SACM）過程。
圖2 BPAWR－SACM過程的機理
BPAWR－SACM過程的泵浦與頻移間的頻率差，信號與泵浦光間的時延，紅移／藍移部分的強度比，以及該過程的產生閾值與傳統(tǒng)的光學過程（如熒光、磷光、拉曼和倍頻）存在著較大差異。這些現(xiàn)象證實了無需非線性過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，一個波長的信號光可以通過多個波長的泵浦光同時放大，因此可以通過BPAWR－SACM過程對材料中無吸收頻段的信號進行放大，在光通訊、超連續(xù)光譜、激光放大等方面有潛在應用。
圖3 不同激發(fā)波長下的頻移（左）和信號與泵浦光間的時延（右）
基于稀土離子摻雜的HEGS，通過吸收譜的線型設計，與特定的泵浦光匹配，不用借助諧振腔，即可獲得任意波長的空間相干光出射。BPAWR－SACM具有很小的空間發(fā)射角，能夠實現(xiàn)任意波長／譜段的部分／時空相干光的輸出，理論上可以基于該過程設計任意波長的激光器、激光放大器和多波長激光器。也可以通過BPAWR－SACM對超短脈沖過程進行能量轉移與放大，結合CPA技術可以進一步放大單脈沖的能量。此外，可以在可見光波段提供一系列的頻率調制能力，從而實現(xiàn)在可見光波段的波分復用通訊技術。
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