在激光器内部打结

当你听到“激光”这个词时，你的脑海中会浮现出什么？一把光剑？猫玩具？超市的传感器读取条形码的速度与眼睛眨眼一样快？

这些都是激光器，但还有更多尺寸和颜色的激光器，其功能尚未被开发甚至想象。电气工程和应用物理学助理教授Alireza Marandi正在构思这些激光器并在实验室中创造它们。

Marandi的最新研究涉及锁模激光器，它以稳定脉冲而不是单个连续光束发射光。这些脉冲可以非常短，以皮秒（万亿分之一秒）或飞秒（千亿分之一秒）为单位，并且可以在如此短的时间内携带超高功率。锁模激光器的脉冲已用于许多应用，例如，用于眼科手术，通过提供狭窄的目标切割功率，而不会产生连续激光束可能引起的过度热量。

锁模涉及锁定穿过激光谐振腔的光波的振幅和相位。当实现锁模时，这些谐振波相互协同作用，通常形成稳定的脉冲模式。Marandi的团队通过在激光腔中的共振光脉冲之间引入特定的耦合，为锁模激光器增加了拓扑鲁棒性。

由此产生的拓扑时间锁模会产生激光脉冲方向图，可以容忍由制造或环境噪声源引起的缺陷和紊乱。

“这项基础研究可能有很多应用，”马兰迪说。“通过实现锁模激光器中的拓扑行为，我们实质上是在创建一个结，可以使激光器的行为对噪声更加稳健。如果激光通常处于锁模状态，而您摇晃它，一切都会变得疯狂。但是，如果激光脉冲打结在一起，你可以摇晃系统，并且不会发生任何混乱，至少在一定范围的摇晃中是这样。

拓扑保护锁模激光器可以创建更好的频率梳，用于通信、传感和计算应用。“锁模激光器在频域中的输出是一个频梳，即许多等距窄光谱峰，”Marandi解释道。“频率梳通常容易受到噪声源和环境不稳定的影响。通过利用锁模激光器中的拓扑行为，可以保护所得的频率梳免受其中一些噪声源的影响。

未来，Marandi希望利用这种新型激光器的丰富物理特性来获取其他实验平台无法实现的非线性拓扑物理体系，并开发先进类型的传感器和计算硬件。

该论文发表在 Nature Physics 上，题为“Topological Tempally Mode-Locked Laser”。合著者是加州理工学院的 Christian R. Leefmans、Midya Parto、James Williams 和 Gordon H.Y. Li;斯坦福大学和马里兰大学的 Avik Dutt;以及密歇根大学和日本理化学研究所量子计算中心的Franco Nori。资金来源包括美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、陆军研究办公室、日本科学振兴会、亚洲航空航天研究与发展办公室、基础问题研究所和 NTT Research。