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科學(xué)家用兩束激光“撞”出多頻率光

[2012/3/31]

　　美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員通過將高、低頻率的激光束瞄準(zhǔn)半導(dǎo)體，引發(fā)電子從核心脫離并加速，再回來碰撞核心，由此產(chǎn)生多種頻率光。相關(guān)研究結(jié)果刊登在最新一期《自然》雜志上。

　　當(dāng)高頻率的激光束擊中半導(dǎo)體材料如砷化鎵納米結(jié)構(gòu)時，會創(chuàng)建一對被稱為激子的電子—空(穴)復(fù)合體，即當(dāng)電子從外界獲得能量時，會跳到較高的能級，但并不穩(wěn)定，很快又會將獲得的能量釋放從而回到原來的能級;但如果電子獲得的能量夠高，就可擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來的位置則稱為空穴，自由電子可能會因為摩擦或碰撞等因素?fù)p失能量，最后受到空穴的吸引而復(fù)合。

　　論文合著者、該校物理系教授及太赫茲科學(xué)與技術(shù)研究所主任馬克·舍溫說：“高頻激光產(chǎn)生電子—空穴對，很強的低頻自由電子激光束將電子從穴口分離并加速，這時由于電子加速有多余能量，它會猛烈碰撞空穴，重組電子—空穴對，并放射出新頻率光子。在相當(dāng)常規(guī)的路徑下混合激光束碰撞后會得到一或兩個新的頻率，而我們在實驗中看到所有這些不同的新頻率最多能達到11個，這個現(xiàn)象著實令人興奮。”

　　舍溫說，由于每個頻率的光對應(yīng)不同的顏色，他們之所以能獲得這樣的突破是依靠了一種特別的工具——自由電子激光器，其最大特點是可以探測出物質(zhì)的基本性質(zhì)，將其置于混合光束之前即可測量出不同光的顏色，由此發(fā)現(xiàn)多種頻率的光。

　　論文第一作者、該校物理系博士生本·扎克斯解釋說：“這就像有線電視網(wǎng)絡(luò)，其電纜是一束光纖，而你沿著這條線發(fā)送約1.5微米波長的光束，但在這束光里有如同細(xì)梳齒的縫隙一樣分離出的許多頻率。信息會以一種頻率來移動。而采用這種技術(shù)就能是增加很多可以傳輸信息的頻率，而且彼此相隔不會太遠(yuǎn)！

　　該研究團隊建立了一種產(chǎn)生電子—空穴再碰撞的機器，其在現(xiàn)實中恐怕還沒有實際性的應(yīng)用。然而，從理論上講，一個晶體管可以用于自由電子激光產(chǎn)生強烈的太赫茲場，還可以調(diào)節(jié)臨近的紅外線光束。數(shù)據(jù)表明，該儀器調(diào)制的近紅外激光是太赫茲頻率的兩倍，當(dāng)增加光調(diào)制的速度，將會更快傳輸接收自電纜的信息。

　　研究人員介紹說，將電子—空穴再碰撞現(xiàn)象應(yīng)用于現(xiàn)實世界中具有潛在顯著提高光纜數(shù)據(jù)傳輸和通信速度的能力。最有可能的應(yīng)用是多路復(fù)用技術(shù)即多渠道發(fā)送數(shù)據(jù);另一個則可對光進行高速調(diào)制。