Optiska frekvenskammar används ofta, högprecisionsverktyg för att mäta och detektera olika frekvenser-a.k.a. färger - av ljus. Till skillnad från konventionella lasrar, som avger en enda frekvens, dessa lasrar avger flera frekvenser samtidigt. Frekvenserna är lika fördelade som tänderna på en kam. Optiska frekvenskammar används för allt från att mäta fingeravtryck från specifika molekyler till att upptäcka avlägsna exoplaneter.

Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) undersöker möjligheten att använda en infraröd frekvenskam för att generera svårfångade terahertz -frekvenser. Dessa frekvenser - som ligger i det elektromagnetiska spektrumet mellan radiovågor och infrarött ljus - har länge lovat att omvandla kommunikation och avkänning men är mycket utmanande att källa till. Genom att utnyttja ett nyligen upptäckt lasertillstånd, SEAS -forskare har upptäckt en infraröd frekvenskam i en kvantkaskadlaser som erbjuder ett nytt sätt att generera terahertz -frekvenser.

Dubbade en harmonisk frekvenskam, detta nya system producerar ett spektrum av tänder med avstånd tiotals gånger större än traditionella frekvenskammar. Det stora men exakta avståndet gör att dessa ljusformer kan slå ihop för att producera extremt rena terahertz -toner.

Forskningen beskrivs i Nature Photonics .

"Upptäckten av det harmoniska tillståndet för kvantkaskadlasrar är överraskande ur laserfysisk synvinkel, "sade Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering och senior författare till tidningen. "Tills nyligen, man trodde att multimodlasrar normalt skulle lasa på alla möjliga frekvenser i kaviteten. I harmoniskt tillstånd, många kavitetsfrekvenser hoppas över. Ännu mer anmärkningsvärt är att denna upptäckt öppnar oförutsedda möjligheter i oanvända områden i det elektromagnetiska spektrumet, terahertz. "

I traditionella frekvenskammar, tänderna separeras med en liten frekvens som dikteras av laserhålighetens karaktäristiska längd - vilket betyder att tänderna sitter nära varandra. Den harmoniska frekvenskammen, dock, kan använda en större multipel av den frekvensen.

"Med denna nya kamregim kan vi kringgå de strikta begränsningar som kavitetslängden ställer och nå en oöverträffad grad av flexibilitet inom området för kvantkaskadlaserfrekvenskammar, "sa Marco Piccardo, en postdoktor i Capasso-labbet och medförfattare till tidningen.

Nyckeln till forskningen var att bevisa att dessa i stort sett åtskilda tänder verkligen var lika långt ifrån varandra. Med en annan referenskam, laget kunde studera det harmoniska frekvenskammspektrumet med mycket hög upplösning.

"Vi visar att linjerna är på lika avstånd med en osäkerhet på bara 300 hertz, som kvantifierar den här mätningens relativa precision till fem delar per biljon, "sa Dmitry Kazakov, en besökande forskarpraktikant i Capassogruppen och medförfattare till artikeln. "Det är som om man skulle kunna mäta avståndet från jorden till månen och vara av med mindre än tjockleken på ett hår."

De flesta nuvarande terahertz -generatorer använder stora, komplexa optiska system som arbetar vid nära noll-temperaturer för att producera terahertz-frekvenser. Den harmoniska frekvenskammen fungerar vid rumstemperatur, använder kommersiella kvantkaskadlasrar, och är självstartande, vilket innebär att lasern automatiskt kan växla till denna regim när elektrisk ström injiceras i enheten.

"Detta öppnar helt nya applikationer för frekvenskammar, särskilt inom trådlös kommunikation, "Capasso sa." Vi förutser att den här kammregimen inom en snar framtid kommer att möjliggöra en ny klass av chipskala-modem som fungerar vid terahertz-frekvenser, tillgodose den ständigt ökande konsumenternas efterfrågan på digital kommunikation med hög datahastighet. "