加速节拍为半导体激光器中一种新颖的通用调制方式带来了光明

保罗德鲁德固体电子研究所(PDI)的研究人员观察到一种新颖的调制方式，其特点是在调制的半导体激光器中出现了以前从未见过的“加速拍”。

正如他们在今天发表在《自然通讯》上的一篇论文中详细介绍的那样，这种新方案的关键(并且有点违反直觉的)特征是能够使用比相干时间更长的调制周期来相干地操纵量子系统，前提是调制幅度足够大。

光源(例如激光)的谐波调制是许多现代和新兴电信技术的基石。在这方面，两种调制模式最为人熟知：绝热模式和非绝热模式。

一方面，在绝热状态下，光的相干性(光波保持恒定、可预测的相位连接的程度)比调制周期(即调制频率的倒数[EF1])消散得更快。

另一方面，在非绝热状态下，几个调制周期适合系统的相干时间。后一种状态对于量子系统的相干操控尤为重要，但需要通常在GHz范围内的高频。

然而，控制调制(这是操纵这些系统用于技术应用所必需的)需要一种微妙的平衡。根据这项研究的主要作者亚历山大·库兹涅佐夫的说法，以前的研究中很大程度上忽视了调制的幅度，即系统震动的强度。

“主要的障碍是，震动越大，系统失去连贯性的速度就越快，”他说。“现在，我们认为这是第一次，PDI团队展示了当类似激光的光电共振被极端调制幅度调制时会发生什么，并揭示了这种调制的一个新方面，这是由加速度引起的。这种调制既不是绝热的，也不是非绝热的，而是一种根本不同的状态。”

库兹涅佐夫进行的实验研究将高振幅谐波调制引入到基于半导体的微米级相干光源的发射能量中。他们观察到，调制幅度的这些极端变化导致了“加速度拍频”的出现——光谱振荡与光源能量变化率(即加速度)的变化有关，而不是与能量变化速度有关，大多数低振幅扰动下的物理系统都是这种情况。

开发加速节拍模型的保罗·V·桑托斯(PauloV.Santos)将其比作灯塔中快速旋转的灯光产生的效果：静止时，光源的光谱分布较窄——可能是单一、轮廓分明的绿色光束。但当光源旋转时，人们首先看到的不是单一光束，而是两束不同颜色的光束。

这种颜色变化是由多普勒频移引起的：当光源向观察者移动或远离观察者时，观察者感知到的频率(或波长)会发生变化，这取决于移动速度。

“如果旋转频率进一步增加，人们开始看到接近多普勒频移辐射的小摆动，”桑托斯说。“与由恒定速度运动引起的多普勒频移相反，这些摆动是由快速速度变化引起的，即加速运动。”

这种观察到的效应是普遍的，这意味着它可以在任何类型的谐波调制系统中观察到。然而，这些结果是首次已知的加速拍频实验证明，因为它能够快速调制具有足够大振幅的固态系统。进一步的发现证实了这一点，即这些拍频已经可以使用现有模型进行预测。

该实验设计的核心是克劳斯·比尔曼(KlausBiermann)开发的半导体微腔(本质上是一个由分层半导体材料制成的盒子)，研究人员用它来观察受限极化子凝聚体发射的激光。

库兹涅佐夫说：“一个关键因素是，半导体微腔中受限的光物质极化子凝聚体是理想的明亮光源，具有可调的相干性和对单色声场的增强敏感性。”

“另一种成分是压电产生的声波，它可以调节凝聚物的能量，其振幅可超过调制量子两个数量级。”

这一发现的基本特征提出了一个重要的问题：在宇宙现象和高能粒子的其他极端条件下是否可以观察到加速节拍。

虽然这种新方案的潜在应用还有待探索，但研究人员表示，这项研究开辟了新的可能性，可以使用更低的调制频率产生高频光谱特征，并开发控制量子系统的新协议。