近日，美國哈佛大學物理學家團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)學成像領域帶來新型光譜分析技術。相關研究成果發(fā)布在近期的《自然》雜志上。

這種激光器的基礎是20世紀90年代開創(chuàng)的量子級聯(lián)技術。量子級聯(lián)激光器通過將不同的納米結(jié)構(gòu)半導體材料層疊在一起，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來產(chǎn)生脈沖的其他半導體激光器不同，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，通常需要復雜的設置才能實現(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。

圖片:搜狗截圖20250417105034.png

中紅外激光芯片及其連接各個組件的光路圖

此次，在設計芯片架構(gòu)時，研究人員從克爾微諧振器的光調(diào)制設備中獲得靈感，融合非線性光子學概念，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)生稱為光學頻率梳的精密光譜。光學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)目前已被廣泛應用于高精度測量領域。

研究人員表示，這一成果是以前未能實現(xiàn)的。更重要的是，此類設備可利用標準半導體制造工藝在工業(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)境領域展現(xiàn)出重要應用價值。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。