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物理學家在單芯片上開發(fā)出緊湊型中紅外脈沖發(fā)生器 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(nèi)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(gòu)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(jié)構(gòu)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。現(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(jié)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(diào)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?nèi)诤狭藘蓚�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(gòu)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(gòu)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(qū)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(qū)動的環(huán)形諧振器、驅(qū)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。" 相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-025-08853-y |
