哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的物理學家們研制出一種緊湊型激光器，能夠在重要但難以實現(xiàn)的波長范圍內發(fā)射超強短脈沖光，將大型光子器件的性能集成至單一芯片。這項發(fā)表于《自然》雜志的研究，首次展示了無需外部組件即可運行的片上皮秒級中紅外激光脈沖發(fā)生器。

該設備能夠生成被稱為"光學頻率梳"的光譜，這種由等間距頻率線(如梳齒般)組成的光譜目前用于精密測量。這種新型激光芯片未來有望加速開發(fā)用于環(huán)境監(jiān)測的高靈敏度廣譜氣體傳感器，或用于醫(yī)學成像的新型光譜工具。

論文通訊作者為SEAS應用物理學Robert L. Wallace講席教授、電氣工程Vinton Hayes高級研究員Federico Capasso。該研究獲得美國國家科學基金會和國防部支持，合作機構包括維也納技術大學Schwarz課題組、由Luigi A. Lugiato領銜的意大利科學家聯(lián)盟，以及Timothy Day領導的Leonardo DRS Daylight Solutions公司。

Capasso表示："這項激動人心的新技術通過片上非線性光子學產(chǎn)生中紅外超短光脈沖，這在過去從未實現(xiàn)。更重要的是，這種器件可以在工業(yè)激光代工廠使用標準半導體工藝輕松生產(chǎn)。"中紅外是電磁頻譜中不可見的部分，目前應用于環(huán)境監(jiān)測領域。由于二氧化碳和甲烷等氣體分子能高效吸收中紅外光，該波長范圍已成為監(jiān)測環(huán)境氣體的重要工具，特別是Capasso在1990年代開創(chuàng)的量子級聯(lián)激光技術。

該論文展示了生成寬帶光源的路徑，例如可在單一設備中檢測多種氣體吸收指紋。"這是創(chuàng)建所謂'超連續(xù)譜光源'的關鍵一步，這種光源能在單一芯片上生成數(shù)千種不同頻率的光。"論文共同第一作者、Capasso課題組研究員Dmitry Kazakov表示，"我認為這將成為該平臺未來發(fā)展的真正可能。"

這項納米光子學工程新突破的核心是量子級聯(lián)激光器，它通過堆疊不同納米結構半導體材料產(chǎn)生中紅外相干光束。與傳統(tǒng)半導體激光器依賴鎖模技術產(chǎn)生脈沖不同，量子級聯(lián)激光器因其超快動力學特性而難以脈沖化?，F(xiàn)有基于量子級聯(lián)激光器的中紅外脈沖發(fā)生器通常需要復雜裝置和多個分立硬件組件，且在輸出功率和光譜帶寬方面存在限制。

新型脈沖發(fā)生器將非線性集成光子學和集成激光器的多個概念無縫結合，在單一器件中產(chǎn)生稱為"孤子"的特種皮秒光脈沖。研究團隊從看似無關的"克爾微腔諧振器"光調制器件中獲取設計靈感，通過創(chuàng)造性思維繞過了鎖模等傳統(tǒng)脈沖生成技術。

量子級聯(lián)光子集成芯片的光學顯微鏡圖像。

共同第一作者、麻省理工學院研究生Theodore Letsou表示："在量子級聯(lián)激光器研究中，我們的測量方法具有非傳統(tǒng)性。我們融合了兩個領域的技術，將克爾諧振器社區(qū)的方法應用于我們的系統(tǒng)，這個過程令人振奮。"

論文合著者、維也納技術大學教授Benedikt Schwarz指出："除了令人印象深刻的物理突破，這項工作最重要的意義在于增強了我們制造和操作多組件架構的信心——這曾是中紅外集成光子學領域的重大挑戰(zhàn)。我們已在開發(fā)新架構以實現(xiàn)過去認為不可能的功能。"

研究團隊借鑒了1980年代建立的被動克爾諧振器基礎理論。論文合著者Luigi Lugiato將其原創(chuàng)方程重新應用于描述中紅外激光系統(tǒng)動力學。"這是從Lugiato-Lefever方程開始旅程的巔峰。"這位意大利因蘇布里亞大學榮譽教授表示，"最初作為被動系統(tǒng)模型的方程，已發(fā)展為各類腔體中孤子頻率梳的統(tǒng)一框架，最終預測了閾值以上光驅動量子級聯(lián)激光器的孤子現(xiàn)象——現(xiàn)已被實驗證實。"

新型中紅外激光器可連續(xù)穩(wěn)定工作數(shù)小時，更重要的是能夠利用現(xiàn)有工業(yè)制程量產(chǎn)，這將極大加速其廣泛應用。該器件由可外部驅動的環(huán)形諧振器、驅動諧振器的片上激光器，以及作為濾波器的第二有源環(huán)形諧振器組成，芯片在維也納技術大學制造。

論文合著者、Leonardo DRS Daylight Solutions高級副總裁Timothy Day表示："這項技術有望成為中紅外光譜領域的顛覆者。利用現(xiàn)有制程實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，將推動環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、生命科學研究和醫(yī)療診斷等多個市場的創(chuàng)新發(fā)展。"

審核編輯 黃宇