科學(xué)家在可設(shè)計(jì)的空間相干光方面取得進(jìn)展
1960年第一臺(tái)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(dǎo)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(shù)激光器的輸出頻率是固定的或在很小的范圍內(nèi)變化，有些頻率的激光還難以使用普通方法產(chǎn)生出來，在一些實(shí)際應(yīng)用中需要與光學(xué)頻率變換技術(shù)相結(jié)合以獲得各種波長(zhǎng)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(xiàn)了各種物質(zhì)對(duì)不同頻率光的響應(yīng)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)過光電處理，直接在光域內(nèi)將某一波長(zhǎng)（頻率）的光信號(hào)直接變換到另外的一個(gè)波長(zhǎng)（頻率）上。從設(shè)計(jì)特定的能級(jí)實(shí)現(xiàn)可調(diào)波段的熒光、到倍頻與光學(xué)參量調(diào)制等非線性光學(xué)，各種不同的頻率變換技術(shù)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。如何在頻率調(diào)制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束的空間相干性，是該領(lǐng)域面臨的最為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一。
過去的研究認(rèn)為，只有當(dāng)激發(fā)中心具備三能級(jí)、四能級(jí)或準(zhǔn)四能級(jí)的寬帶二能級(jí)系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，該激發(fā)中心才有可能在泵浦下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并通過受激輻射過程形成具備時(shí)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(duì)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(jié)構(gòu)不具備這樣的電子結(jié)構(gòu)，僅能體現(xiàn)簡(jiǎn)單的吸收譜特征，但又與晶格基質(zhì)間形成了較強(qiáng)的耦合關(guān)系時(shí)，是否能夠獲得具備可調(diào)致特性的空間相干光出射呢？
近日，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)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(tuán)隊(duì)受高熵合金的設(shè)計(jì)思路的啟發(fā)，通過低熔點(diǎn)熔鹽策略構(gòu)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(xiàn)了可設(shè)計(jì)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(huì)形成具有空間相干性的紅光、黃光、藍(lán)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(tuán)隊(duì)基于高熵策略設(shè)計(jì)的HEGS表現(xiàn)出寬譜段的紅外吸收特性，形成了對(duì)應(yīng)的高頻光學(xué)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(xué)支聲子或許可的多聲子過程產(chǎn)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(jìn)行受激輻射，而吸收譜段上的輻射過程轉(zhuǎn)變?yōu)橄囊龑?dǎo)體系內(nèi)的模式競(jìng)爭(zhēng)，最終使出射光產(chǎn)生強(qiáng)的空間相干性，也即自吸收相干調(diào)制（SACM）過程。
圖2 BPAWR－SACM過程的機(jī)理
BPAWR－SACM過程的泵浦與頻移間的頻率差，信號(hào)與泵浦光間的時(shí)延，紅移／藍(lán)移部分的強(qiáng)度比，以及該過程的產(chǎn)生閾值與傳統(tǒng)的光學(xué)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(shí)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(nèi)蘊(yùn)復(fù)雜的聲子模式及其和／差頻，一個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)光可以通過多個(gè)波長(zhǎng)的泵浦光同時(shí)放大，因此可以通過BPAWR－SACM過程對(duì)材料中無吸收頻段的信號(hào)進(jìn)行放大，在光通訊、超連續(xù)光譜、激光放大等方面有潛在應(yīng)用。
圖3 不同激發(fā)波長(zhǎng)下的頻移（左）和信號(hào)與泵浦光間的時(shí)延（右）
基于稀土離子摻雜的HEGS，通過吸收譜的線型設(shè)計(jì)，與特定的泵浦光匹配，不用借助諧振腔，即可獲得任意波長(zhǎng)的空間相干光出射。BPAWR－SACM具有很小的空間發(fā)射角，能夠?qū)崿F(xiàn)任意波長(zhǎng)／譜段的部分／時(shí)空相干光的輸出，理論上可以基于該過程設(shè)計(jì)任意波長(zhǎng)的激光器、激光放大器和多波長(zhǎng)激光器。也可以通過BPAWR－SACM對(duì)超短脈沖過程進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移與放大，結(jié)合CPA技術(shù)可以進(jìn)一步放大單脈沖的能量。此外，可以在可見光波段提供一系列的頻率調(diào)制能力，從而實(shí)現(xiàn)在可見光波段的波分復(fù)用通訊技術(shù)。
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