哈佛大学研发成功单芯片皮秒级中红外激光器

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的物理学家们研制出一种紧凑型激光器，能够在重要但难以实现的波长范围内发射超强短脉冲光，将大型光子器件的性能集成至单一芯片。这项发表于《自然》杂志的研究，首次展示了无需外部组件即可运行的片上皮秒级中红外激光脉冲发生器。

该设备能够生成被称为"光学频率梳"的光谱，这种由等间距频率线(如梳齿般)组成的光谱目前用于精密测量。这种新型激光芯片未来有望加速开发用于环境监测的高灵敏度广谱气体传感器，或用于医学成像的新型光谱工具。

论文通讯作者为SEAS应用物理学Robert L. Wallace讲席教授、电气工程Vinton Hayes高级研究员Federico Capasso。该研究获得美国国家科学基金会和国防部支持，合作机构包括维也纳技术大学Schwarz课题组、由Luigi A. Lugiato领衔的意大利科学家联盟，以及Timothy Day领导的Leonardo DRS Daylight Solutions公司。

Capasso表示："这项激动人心的新技术通过片上非线性光子学产生中红外超短光脉冲，这在过去从未实现。更重要的是，这种器件可以在工业激光代工厂使用标准半导体工艺轻松生产。"中红外是电磁频谱中不可见的部分，目前应用于环境监测领域。由于二氧化碳和甲烷等气体分子能高效吸收中红外光，该波长范围已成为监测环境气体的重要工具，特别是Capasso在1990年代开创的量子级联激光技术。

该论文展示了生成宽带光源的路径，例如可在单一设备中检测多种气体吸收指纹。"这是创建所谓'超连续谱光源'的关键一步，这种光源能在单一芯片上生成数千种不同频率的光。"论文共同第一作者、Capasso课题组研究员Dmitry Kazakov表示，"我认为这将成为该平台未来发展的真正可能。"

这项纳米光子学工程新突破的核心是量子级联激光器，它通过堆叠不同纳米结构半导体材料产生中红外相干光束。与传统半导体激光器依赖锁模技术产生脉冲不同，量子级联激光器因其超快动力学特性而难以脉冲化。现有基于量子级联激光器的中红外脉冲发生器通常需要复杂装置和多个分立硬件组件，且在输出功率和光谱带宽方面存在限制。

新型脉冲发生器将非线性集成光子学和集成激光器的多个概念无缝结合，在单一器件中产生称为"孤子"的特种皮秒光脉冲。研究团队从看似无关的"克尔微腔谐振器"光调制器件中获取设计灵感，通过创造性思维绕过了锁模等传统脉冲生成技术。

量子级联光子集成芯片的光学显微镜图像。

共同第一作者、麻省理工学院研究生Theodore Letsou表示："在量子级联激光器研究中，我们的测量方法具有非传统性。我们融合了两个领域的技术，将克尔谐振器社区的方法应用于我们的系统，这个过程令人振奋。"

论文合著者、维也纳技术大学教授Benedikt Schwarz指出："除了令人印象深刻的物理突破，这项工作最重要的意义在于增强了我们制造和操作多组件架构的信心——这曾是中红外集成光子学领域的重大挑战。我们已在开发新架构以实现过去认为不可能的功能。"

研究团队借鉴了1980年代建立的被动克尔谐振器基础理论。论文合著者Luigi Lugiato将其原创方程重新应用于描述中红外激光系统动力学。"这是从Lugiato-Lefever方程开始旅程的巅峰。"这位意大利因苏布里亚大学荣誉教授表示，"最初作为被动系统模型的方程，已发展为各类腔体中孤子频率梳的统一框架，最终预测了阈值以上光驱动量子级联激光器的孤子现象——现已被实验证实。"

新型中红外激光器可连续稳定工作数小时，更重要的是能够利用现有工业制程量产，这将极大加速其广泛应用。该器件由可外部驱动的环形谐振器、驱动谐振器的片上激光器，以及作为滤波器的第二有源环形谐振器组成，芯片在维也纳技术大学制造。

论文合著者、Leonardo DRS Daylight Solutions高级副总裁Timothy Day表示："这项技术有望成为中红外光谱领域的颠覆者。利用现有制程实现商业化量产，将推动环境监测、工业过程控制、生命科学研究和医疗诊断等多个市场的创新发展。"

审核编辑 黄宇