哈佛大學的物理學家開發出一種強大的新型片上雷射器，它可以在中紅外光譜中發射明亮的脈衝——這是一個難以捉摸但非常有用的光範圍，可用於檢測氣體和啟用新的光譜工具。

該設備將大型系統的功能整合到一塊微型晶片中，無需任何外部組件。它融合了突破性的光子設計與量子級聯雷射技術，有望透過一次性檢測數千種光頻率，很快就徹底改變環境監測和醫療診斷。

哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的物理學家們開發出一種緊湊型雷射器，能夠發射中紅外光譜的明亮超短脈衝光——這一波長範圍既具有科學價值，又具有技術挑戰性。該設備的性能堪比更大型的光子系統，但完全整合在單一晶片上。

這項研究於今日（4月16日）發表在《自然》雜誌上，標誌著一種無需任何外部元件即可運行的片上皮秒中紅外線雷射脈衝發生器的首次演示。該雷射可以產生光頻梳——一種由均勻分佈的頻率組成的光譜——廣泛應用於高精度測量。這個緊湊的平台有望幫助實現新一代用於環境監測的廣譜氣體感測器，以及用於醫學成像的先進光譜工具。

這項研究由資深作者、SEAS 應用物理學Robert L. Wallace 教授Federico Capasso 和電機工程高級研究員Vinton Hayes 共同領導。計畫由美國國家科學基金會和國防部資助，與維也納理工大學(TU Wien) 的Schwarz 團隊、Luigi A. Lugiato 領導的義大利研究團隊以及Timothy Day 指導的Leonardo DRS Daylight Solutions 公司合作完成。

「這是一項令人興奮的新技術，它整合了片上非線性光子學，可以產生中紅外線超短光脈衝；此前從未出現過這樣的技術，」卡帕索說。 “更重要的是，這種裝置可以在工業雷射代工廠使用標準半導體製造過程輕鬆生產。”

藝術家繪製的中紅外線雷射晶片示意圖，其中光路連接著各個組件。圖片來源：羅潤克

中紅外線波段是電磁波譜中不可見的部分，如今已廣泛應用於環境領域。由於二氧化碳和甲烷等許多氣體分子能夠有效吸收中紅外光，該波長範圍已成為監測環境氣體的重要工具，尤其是在卡帕索於1990年代率先開發的量子級聯雷射技術中。

新論文展示了一種生成寬頻光源的途徑，該光源可以在單一設備中檢測氣體的許多不同吸收指紋。

「這是創建我們所謂的超連續譜光源的關鍵一步，它可以在一個晶片上產生數千種不同頻率的光，」論文共同第一作者、卡帕索團隊的研究員德米特里·卡扎科夫（Dmitry Kazakov）說道。 “我認為這對這個平台的未來發展具有現實的可能性。”

量子級聯雷射是奈米光子工程這項新成就的基礎，它透過將不同的奈米結構半導體材料層疊在一起，產生相干的中紅外線光束。與其他幾十年來一直依賴成熟的鎖模技術產生脈衝的半導體雷射器不同，量子級聯雷射由於其固有的超快動態特性，仍然難以產生脈衝。

現有的基於量子級聯雷射的中紅外線脈衝產生器通常需要複雜的裝置來實現脈衝發射，以及許多分立的硬體組件。它們通常也受限於一定的輸出功率和光譜頻寬。

量子級聯光子整合晶片的光學顯微鏡影像。圖中所示晶片包含兩個相同的裝置，每個裝置包含四個組件：法布里-珀羅驅動雷射、波導耦合器、電阻加熱器和跑道諧振器。圖片來源：卡帕索實驗室/哈佛大學工程與應用科學學院

這種新型脈衝產生器將非線性整合光子學和整合雷射器中的多種概念無縫地結合到一個裝置中，從而產生特定類型的皮秒光脈衝，即孤子。在設計晶片架構時，研究人員從一種看似無關的光調製元件——克爾微諧振器——中汲取了靈感。他們的創造性思維使他們能夠繞過鎖模等傳統脈衝生成技術。

「在量子級聯雷射研究中，我們的測量方法並非傳統做法，」論文共同第一作者、麻省理工學院研究生、卡帕索團隊研究員西奧多·萊蘇(Theodore Letsou) 說道。 “我們融合了兩種場，並藉鑑了克爾諧振腔領域的研究成果，並將其應用到我們的系統中。這是一個激動人心的過程。”

「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於它賦予了我們製造和操作多組件架構的信心，而這此前一直是中紅外線整合光子學領域的一大挑戰，」論文合著者、維也納技術大學教授貝內特·施瓦茨(Benedikt Schwarz) 表示。 “我們已經在開發新的架構，以實現此前認為不可能實現的功能。”

研究人員借鑒了20世紀80年代發表的一項基礎理論，該理論為被動克爾諧振器建立了框架。新論文的合著者之一是Luigi Lugiato，他致力於重新利用原始方程式來描述中紅外線雷射系統的動力學。

「這是始於Lugiato-Lefever方程式的一段旅程激動人心的巔峰，」義大利因蘇布里亞大學名譽教授Lugiato說。 「最初作為被動系統模型，如今已發展成為適用於各種腔體中孤子頻率梳的統一框架。這條路徑使我們預測了光驅動量子級聯雷射器中高於閾值的孤子——如今這一結果已被實驗證實。”

這種新型中紅外線雷射器能夠可靠地持續數小時產生脈衝。至關重要的是，它還可以利用現有的工業製造流程進行量產，這將大大加快其廣泛應用的速度。此元件由三個部分組成：一個可外部驅動的環形諧振器；一個驅動環形諧振器的片上雷射；以及一個充當濾波器的第二個主動環形諧振器。這些晶片由維也納技術大學製造。

「這項技術有望真正改變中紅外光譜領域，」論文合著者、Leonardo DRS日光解決方案業務部高級副總裁兼總經理Timothy Day表示。 “利用現有製造流程實現這些設備的商業化量產，將真正賦能多個市場的未來發展，包括環境監測、工業製程控制、生命科學研究和醫療診斷。”

編譯自/ ScitechDaily