單芯片皮秒級中紅外激光器問世

科技日報北京4月16日電 （記者張佳欣）據16日的《自然》雜誌報道，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衝發生器，無需外部組件即可運行，可在數小時內穩定產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，為環境監測提供更高效的檢測工具，還可為醫學成像領域帶來新型光譜分析技術。

這種激光器的基礎是20世紀90年代開創的量子級聯技術。量子級聯激光器通過將不同的納米結構半導體材料層疊在一起，產生相干的中紅外光束。與數十年來一直依賴鎖模技術來產生脈衝的其他半導體激光器不同，量子級聯激光器由於其固有的超快動力學特性，產生脈衝一直非常困難。現有的基於量子級聯激光器的中紅外脈衝發生器，通常需要複雜的設置才能實現脈衝發射，並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。

此次，在設計芯片架構時，研究人員從克爾微諧振器的光調製設備中獲得靈感，融合非線性光子學概念，在單芯片上無縫集成了環形諧振器、激光源和濾波器，通過孤子脈衝自激發機制，製造出無需外部組件的皮秒級光脈衝輸出。

實驗表明，新型激光器能在中紅外波段產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，這種光譜結構目前已被廣泛應用於高精度測量領域。

研究人員表示，這一成果是以前未能實現的。更重要的是，此類設備可利用標準半導體制造工藝在工業激光代工廠中實現規模化生產。

中紅外波目前已在環境領域展現出重要應用價值。由於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，這一波長範圍已成為監測環境氣體的重要工具。