近日，美國哈佛大學(xué)物理學(xué)家團(tuán)隊首次展示了一種集成在芯片上的皮秒級中紅外激光脈沖發(fā)生器，無需外部組件即可運行，可在數(shù)小時內(nèi)穩(wěn)定產(chǎn)生覆蓋關(guān)鍵氣體吸收帶的光譜。這種新型激光器有望加速高靈敏度、寬光譜氣體傳感器的研發(fā)，為環(huán)境監(jiān)測提供更高效的檢測工具，還可為醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域帶來新型光譜分析技術(shù)。相關(guān)研究成果發(fā)布在近期的《自然》雜志上。

這種激光器的基礎(chǔ)是20世紀(jì)90年代開創(chuàng)的量子級聯(lián)技術(shù)。量子級聯(lián)激光器通過將不同的納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料層疊在一起，產(chǎn)生相干的中紅外光束。與數(shù)十年來一直依賴鎖模技術(shù)來產(chǎn)生脈沖的其他半導(dǎo)體激光器不同，量子級聯(lián)激光器由于其固有的超快動力學(xué)特性，產(chǎn)生脈沖一直非常困難。現(xiàn)有的基于量子級聯(lián)激光器的中紅外脈沖發(fā)生器，通常需要復(fù)雜的設(shè)置才能實現(xiàn)脈沖發(fā)射，并且需要許多分立的硬件組件。它們通常還受到特定輸出功率和光譜帶寬的限制。

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中紅外激光芯片及其連接各個組件的光路圖

此次，在設(shè)計芯片架構(gòu)時，研究人員從克爾微諧振器的光調(diào)制設(shè)備中獲得靈感，融合非線性光子學(xué)概念，在單芯片上無縫集成了環(huán)形諧振器、激光源和濾波器，通過孤子脈沖自激發(fā)機(jī)制，制造出無需外部組件的皮秒級光脈沖輸出。

實驗表明，新型激光器能在中紅外波段產(chǎn)生稱為光學(xué)頻率梳的精密光譜。光學(xué)頻率梳是一種由等間距頻率線（如同梳齒）組成的光譜，這種光譜結(jié)構(gòu)目前已被廣泛應(yīng)用于高精度測量領(lǐng)域。

研究人員表示，這一成果是以前未能實現(xiàn)的。更重要的是，此類設(shè)備可利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝在工業(yè)激光代工廠中實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

中紅外波目前已在環(huán)境領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價值。由于二氧化碳和甲烷等許多氣體分子都能高效吸收中紅外光，因此，這一波長范圍已成為監(jiān)測環(huán)境氣體的重要工具。