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哈佛大學(xué)的物理學(xué)家開發(fā)出一種強(qiáng)大的新型片上激光器，它可以在中紅外光譜中發(fā)射明亮的脈沖——這是一個(gè)難以捉摸但非常有用的光范圍，可用于檢測氣體和啟用新的光譜工具。

該設(shè)備將大型系統(tǒng)的功能集成到一塊微型芯片中，無需任何外部組件。它融合了突破性的光子設(shè)計(jì)與量子級(jí)聯(lián)激光技術(shù)，有望通過一次性檢測數(shù)千種光頻率，很快徹底改變環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療診斷。

哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的物理學(xué)家們開發(fā)出一種緊湊型激光器，能夠發(fā)射中紅外光譜的明亮超短脈沖光——這一波長范圍既具有科學(xué)價(jià)值，又具有技術(shù)挑戰(zhàn)性。該設(shè)備的性能堪比更大型的光子系統(tǒng)，但完全集成在單個(gè)芯片上。

這項(xiàng)研究于今日（4月16日）發(fā)表在《自然》雜志上，標(biāo)志著一種無需任何外部元件即可運(yùn)行的片上皮秒中紅外激光脈沖發(fā)生器的首次演示。該激光器可以產(chǎn)生光頻梳——一種由均勻分布的頻率組成的光譜——廣泛應(yīng)用于高精度測量。這個(gè)緊湊的平臺(tái)有望助力實(shí)現(xiàn)新一代用于環(huán)境監(jiān)測的廣譜氣體傳感器，以及用于醫(yī)學(xué)成像的先進(jìn)光譜工具。

這項(xiàng)研究由資深作者、SEAS 應(yīng)用物理學(xué) Robert L. Wallace 教授 Federico Capasso 和電氣工程高級(jí)研究員 Vinton Hayes 共同領(lǐng)導(dǎo)。項(xiàng)目由美國國家科學(xué)基金會(huì)和國防部資助，與維也納理工大學(xué) (TU Wien) 的 Schwarz 團(tuán)隊(duì)、Luigi A. Lugiato 領(lǐng)導(dǎo)的意大利研究團(tuán)隊(duì)以及 Timothy Day 指導(dǎo)的 Leonardo DRS Daylight Solutions 公司合作完成。

“這是一項(xiàng)令人興奮的新技術(shù)，它集成了片上非線性光子學(xué)，可以產(chǎn)生中紅外超短光脈沖；此前從未出現(xiàn)過這樣的技術(shù)，”卡帕索說道。“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)體制造工藝輕松生產(chǎn)。”

藝術(shù)家繪制的中紅外激光芯片示意圖，其中光路連接著各個(gè)組件。圖片來源：羅潤克

中紅外波段是電磁波譜中不可見的部分，如今已廣泛應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域。由于二氧化碳和甲烷等許多氣體分子能夠有效吸收中紅外光，該波長范圍已成為監(jiān)測環(huán)境氣體的重要工具，尤其是在卡帕索于20世紀(jì)90年代率先開發(fā)的量子級(jí)聯(lián)激光技術(shù)中。

新論文展示了一種生成寬帶光源的途徑，該光源可以在單個(gè)設(shè)備中檢測氣體的許多不同吸收指紋。

“這是創(chuàng)建我們所謂的超連續(xù)譜光源的關(guān)鍵一步，它可以在一個(gè)芯片上產(chǎn)生數(shù)千種不同頻率的光，”論文共同第一作者、卡帕索團(tuán)隊(duì)的研究員德米特里·卡扎科夫（Dmitry Kazakov）說道。“我認(rèn)為這對這個(gè)平臺(tái)的未來發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的可能性。”

量子級(jí)聯(lián)激光器是納米光子工程這一新成就的基礎(chǔ)，它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。與其他幾十年來一直依賴成熟的鎖模技術(shù)產(chǎn)生脈沖的半導(dǎo)體激光器不同，量子級(jí)聯(lián)激光器由于其固有的超快動(dòng)態(tài)特性，仍然難以產(chǎn)生脈沖。

現(xiàn)有的基于量子級(jí)聯(lián)激光器的中紅外脈沖發(fā)生器通常需要復(fù)雜的裝置來實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)射，以及許多分立的硬件組件。它們通常也受限于一定的輸出功率和光譜帶寬。

量子級(jí)聯(lián)光子集成芯片的光學(xué)顯微鏡圖像。圖中所示芯片包含兩個(gè)相同的器件，每個(gè)器件包含四個(gè)組件：法布里-珀羅驅(qū)動(dòng)激光器、波導(dǎo)耦合器、電阻加熱器和跑道諧振器。圖片來源：卡帕索實(shí)驗(yàn)室/哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院

這種新型脈沖發(fā)生器將非線性集成光子學(xué)和集成激光器中的多種概念無縫地結(jié)合到一個(gè)器件中，從而產(chǎn)生特定類型的皮秒光脈沖，即孤子。在設(shè)計(jì)芯片架構(gòu)時(shí)，研究人員從一種看似無關(guān)的光調(diào)制器件——克爾微諧振器——中汲取了靈感。他們的創(chuàng)造性思維使他們能夠繞過鎖模等傳統(tǒng)脈沖生成技術(shù)。

“在量子級(jí)聯(lián)激光研究中，我們的測量方法并非傳統(tǒng)做法，”論文共同第一作者、麻省理工學(xué)院研究生、卡帕索團(tuán)隊(duì)研究員西奧多·萊蘇 (Theodore Letsou) 說道。“我們?nèi)诤狭藘煞N場，并借鑒了克爾諧振腔領(lǐng)域的研究成果，并將其應(yīng)用到我們的系統(tǒng)中。這是一個(gè)激動(dòng)人心的過程。”

“對我來說，除了令人印象深刻的物理原理之外，我們新研究最重要的影響在于它賦予了我們制造和操作多組件架構(gòu)的信心，而這此前一直是中紅外集成光子學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，”論文合著者、維也納技術(shù)大學(xué)教授貝內(nèi)迪克特·施瓦茨 (Benedikt Schwarz) 表示。“我們已經(jīng)在開發(fā)新的架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)此前認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的功能。”

研究人員借鑒了20世紀(jì)80年代發(fā)表的一項(xiàng)基礎(chǔ)理論，該理論為被動(dòng)克爾諧振器建立了框架。新論文的合著者之一是Luigi Lugiato，他致力于重新利用原始方程來描述中紅外激光系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。

“這是始于Lugiato-Lefever方程的一段旅程激動(dòng)人心的巔峰，”意大利因蘇布里亞大學(xué)名譽(yù)教授Lugiato說道。“最初作為被動(dòng)系統(tǒng)模型，如今已發(fā)展成為適用于各種腔體中孤子頻率梳的統(tǒng)一框架。這條路徑使我們預(yù)測了光驅(qū)動(dòng)量子級(jí)聯(lián)激光器中高于閾值的孤子——如今這一結(jié)果已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。”

這種新型中紅外激光器能夠可靠地持續(xù)數(shù)小時(shí)產(chǎn)生脈沖。至關(guān)重要的是，它還可以利用現(xiàn)有的工業(yè)制造工藝進(jìn)行量產(chǎn)，這將大大加快其廣泛應(yīng)用的速度。該器件由三個(gè)部分組成：一個(gè)可外部驅(qū)動(dòng)的環(huán)形諧振器；一個(gè)驅(qū)動(dòng)環(huán)形諧振器的片上激光器；以及一個(gè)充當(dāng)濾波器的第二個(gè)有源環(huán)形諧振器。這些芯片由維也納技術(shù)大學(xué)制造。

“這項(xiàng)技術(shù)有望真正改變中紅外光譜領(lǐng)域，”論文合著者、Leonardo DRS日光解決方案業(yè)務(wù)部高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理Timothy Day表示。“利用現(xiàn)有制造工藝實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的商業(yè)化量產(chǎn)，將真正賦能多個(gè)市場的未來發(fā)展，包括環(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。”