哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）和維也納技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家共同發(fā)明了一種新型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。該設(shè)計(jì)融合了當(dāng)今最先進(jìn)激光產(chǎn)品的優(yōu)勢，在芯片級尺寸的簡易結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了平滑、可靠、大范圍波長調(diào)諧。

可調(diào)諧激光器（即輸出波長可調(diào)節(jié)控制的激光器）是高速通信、醫(yī)療診斷、輸氣管道安檢等眾多技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。但現(xiàn)有激光技術(shù)存在諸多局限性：寬波段激光器會(huì)犧牲單色精準(zhǔn)度；而精準(zhǔn)多色激光器因需移動(dòng)部件導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂。

哈佛團(tuán)隊(duì)的新裝置未來有望以更小體積、更低成本取代多種現(xiàn)有可調(diào)諧激光器。

這項(xiàng)發(fā)表于《光學(xué)》期刊的研究由SEAS學(xué)院o應(yīng)用物理學(xué)教授、電子工程高級研究員Federico Capasso，與維也納技術(shù)大學(xué)本Benedikt Schwarz教授共同主導(dǎo)。Capasso團(tuán)隊(duì)與施瓦茨教授保持著長期科研合作。

團(tuán)隊(duì)選擇中紅外波段進(jìn)行首輪驗(yàn)證，因其架構(gòu)基礎(chǔ)——量子級聯(lián)激光器通常工作于此波段。1994年參與發(fā)明量子級聯(lián)激光器的Capasso指出："該平臺(tái)的通用性意味著可在商業(yè)化相關(guān)波段（如通信、醫(yī)療診斷或可見光譜）制造同類激光器。"

新型激光器由多個(gè)尺寸各異的微型環(huán)形激光器通過同一波導(dǎo)相連。每個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)發(fā)射不同波長，通過調(diào)節(jié)電流輸入即可實(shí)現(xiàn)波長平滑切換。精巧的緊湊設(shè)計(jì)確保激光器每次僅發(fā)射單一波長，在惡劣環(huán)境下仍保持穩(wěn)定，且易于擴(kuò)展。環(huán)形單元既可單獨(dú)運(yùn)作，亦可協(xié)同增強(qiáng)光束強(qiáng)度。

共同第一作者、哈佛Capasso實(shí)驗(yàn)室研究員Theodore Letsou（MIT在讀博士）解釋道："通過調(diào)整環(huán)形尺寸，我們能精準(zhǔn)鎖定任意目標(biāo)譜線和激射頻率。所有激光器產(chǎn)生的光線經(jīng)同一波導(dǎo)耦合形成單一光束，顯著拓展了半導(dǎo)體激光器的調(diào)諧范圍，并能利用不同環(huán)半徑精準(zhǔn)定位波長。"

維也納技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用本校微納結(jié)構(gòu)中心的無塵室制備了該裝置。共同第一作者Johannes Fuchsberger表示："我們的激光器制造工藝簡單，無機(jī)械移動(dòng)部件，小尺寸設(shè)計(jì)易于加工。"

該架構(gòu)還能規(guī)避光反饋（部分激光反射回光源導(dǎo)致失穩(wěn)）等常見問題。由于新型環(huán)形激光器僅按順時(shí)針或逆時(shí)針單向發(fā)射，徹底杜絕了反向反射。

這種環(huán)形激光器有望取代現(xiàn)有各類可調(diào)諧半導(dǎo)體激光技術(shù)。例如：分布式反饋激光器雖能產(chǎn)生平滑精準(zhǔn)光束（用于光纖長途光信號傳輸），但調(diào)諧范圍狹窄；外腔激光器調(diào)諧范圍較寬，卻因含移動(dòng)部件導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、譜線跳躍（常用于檢測甲烷/二氧化碳等特定波長吸光氣體的管道泄漏傳感器）。

論文合著者包括Dmitry Kazakov和Rolf Szedlak。研究團(tuán)隊(duì)已協(xié)同哈佛技術(shù)發(fā)展辦公室與維也納技術(shù)大學(xué)專利許可管理部門完成相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，致力于推動(dòng)未來商業(yè)化進(jìn)程。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.559884