哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的物理學(xué)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(shè)備能夠生成被稱為"光學(xué)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(xué)成像的新型光譜工具。

論文通訊作者為SEAS應(yīng)用物理學(xué)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(xué)基金會和國防部支持，合作機構(gòu)包括維也納技術(shù)大學(xué)Schwarz課題組、由Luigi A. Lugiato領(lǐng)銜的意大利科學(xué)家聯(lián)盟，以及Timothy Day領(lǐng)導(dǎo)的Leonardo DRS Daylight Solutions公司。

Capasso表示："這項激動人心的新技術(shù)通過片上非線性光子學(xué)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(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)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(shù)。

該論文展示了生成寬帶光源的路徑，例如可在單一設(shè)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(guān)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(rèn)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(xué)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(dǎo)體材料產(chǎn)生中紅外相干光束。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器依賴鎖模技術(shù)產(chǎn)生脈沖不同，量子級聯(lián)激光器因其超快動力學(xué)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(fù)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(xué)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(guān)的"克爾微腔諧振器"光調(diào)制器件中獲取設(shè)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(shù)。

量子級聯(lián)光子集成芯片的光學(xué)顯微鏡圖像。

共同第一作者、麻省理工學(xué)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(lǐng)域的技術(shù)，將克爾諧振器社區(qū)的方法應(yīng)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(shù)大學(xué)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(xué)領(lǐng)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(rèn)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(chǔ)理論。論文合著者Luigi Lugiato將其原創(chuàng)方程重新應(yīng)用于描述中紅外激光系統(tǒng)動力學(xué)。"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(xué)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(yù)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(yīng)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(shù)大學(xué)制造。

論文合著者、Leonardo DRS Daylight Solutions高級副總裁Timothy Day表示："這項技術(shù)有望成為中紅外光譜領(lǐng)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(xué)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