哈佛研制芯片级高能激光器，亮度足以探测隐形世界

此前，哈佛大学物理学家团队成功研制出一款高能芯片级激光器，该器件可发射明亮的中红外光谱脉冲——这一难以捕获却又极具应用价值的光谱范围，对气体检测及新型光谱工具开发具有重要意义。

 

这项突破性技术将传统大型光子系统的性能浓缩至微型芯片，且无需任何外部组件。通过融合革命性光子设计与量子级联激光技术，该器件有望通过一次性检测数千种光频，彻底改变环境监测与医疗诊断领域。

 

紧凑型中红外激光技术重大突破

哈佛大学约翰•保尔森工程与应用科学学院物理学家开发的这款微型激光器，能发射高亮度超短中红外脉冲——这一既具重要科研价值又极难实现的光谱波段。其性能比肩大型光子系统，却完全集成于单一芯片。

该研究成果发表于《自然》期刊，首次展示了无需外部元件的芯片级皮秒中红外激光脉冲发生器。该激光器可生成光学频率梳（由等间距频率构成的光谱），这种技术被广泛应用于高精度测量领域。紧凑型平台有望催生新一代用于环境监测的广谱气体传感器，以及医学成像领域的先进光谱工具。

 

国际化团队与强力支持网络

该研究由资深通讯作者Federico Capasso领导，他是哈佛大学工程与应用科学学院罗伯特•L•华莱士应用物理学教授兼电子工程系文顿•海斯高级研究员。项目获得美国国家科学基金会和国防部资助，并与维也纳工业大学Schwarz课题组、Luigi A. Lugiato率领的意大利研究团队，以及Timothy Day领导的Leonardo DRS Daylight Solutions公司展开合作。

“这项激动人心的新技术首次实现了中红外波段超短脉冲光的芯片级非线性光子集成，”Capasso表示，“更重要的是，此类器件可在工业激光代工厂利用标准半导体工艺进行量产。”

 

中红外在气体检测中的能力

中红外是电磁频谱中一个不可见的波段，如今被应用于环境领域。由于二氧化碳、甲烷等多种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——其中最具代表性的是Capasso于20世纪90年代开创的量子级联激光技术。

这篇新论文展示了一种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。

“这是实现‘超级连续谱光源’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，”该论文共同第一作者、卡帕索研究组研究员Dmitry Kazakov表示，“我认为这一技术平台未来完全有可能实现这一目标。”

 

克服量子级联激光器的脉冲挑战

这项纳米光子学新成就的核心在于量子级联激光器（QCL），它通过堆叠不同纳米结构半导体材料来产生相干的中红外光束。与其他依赖成熟锁模技术数十年来产生脉冲的半导体激光器不同，量子级联激光器因其固有的超快动力学特性，至今仍难以实现脉冲输出。

现有的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来实现脉冲发射，并依赖大量分立硬件组件。此外，它们通常还受限于特定的输出功率和光谱带宽。

 

量子级联光子集成芯片的光学显微图像。如图所示芯片包含两个相同器件，每个器件由四个组件构成：法布里-珀罗驱动激光器、波导耦合器、电阻加热器和跑道形谐振腔

 

利用孤子与微腔技术突破脉冲生成瓶颈

这款新型脉冲发生器创新性地将非线性集成光子学与集成激光器的多项原理融合于单一器件，成功产生名为“孤子”的特种皮秒级光脉冲。研究团队在设计芯片架构时，从看似无关的克尔微腔光调制器件中汲取灵感。这一创造性思维使他们绕过了锁模等传统脉冲生成技术。

“我们的测量方法在量子级联激光器研究领域堪称非传统，”论文共同第一作者、麻省理工学院研究生兼卡帕索课题组研究员西奥多•莱索表示，“我们融合了两个不同领域的技术，将克尔谐振腔学界的研究成果移植到我们的系统中，这个过程令人振奋。”

“对我而言，这项新工作最重大的意义——除了令人惊叹的物理现象本身——在于它赋予了我们操控多组件架构的信心。这种能力一直是中红外集成光子学领域长期存在的重大挑战，”论文合著者、维也纳工业大学教授Benedikt Schwarz表示，“我们正在开发新型架构，以实现此前被认为不可能的功能。”

 

当1980年代理论邂逅现代激光技术

研究团队借鉴了上世纪80年代发表的一项基础理论，该理论为被动式克尔谐振腔建立了理论框架。论文合著者之一Luigi Lugiato曾致力于改造其原始方程，用以描述中红外激光系统的动力学特性。

“这是始于卢贾托-莱费弗方程的探索之旅的激动人心成果，”意大利因苏布里亚大学荣休教授卢贾托表示，“最初作为被动系统模型的理论，现已发展为适用于各类腔体的孤子频率梳统一框架。这条研究路径让我们预言了阈值以上光驱动量子级联激光器中的孤子现象——如今已通过本次实验获得证实。”

 

规模化生产：工业级友好设计

这款新型中红外激光器，可稳定维持脉冲输出长达数小时。关键在于，它还能利用现有工业制造工艺进行量产，这将极大加速其普及应用。该器件由三部分构成：可外部驱动的环形谐振腔、驱动该谐振腔的片上激光器，以及充当滤波器的第二有源环形谐振腔。芯片制造由维也纳工业大学完成。

“这项技术有望成为中红外光谱领域的真正颠覆者，”论文合著者、莱昂纳多DRS公司日光解决方案事业部高级副总裁兼总经理Timothy Day表示，“利用现有制造工艺实现商业化量产的能力，将真正推动多个市场的革新，包括环境监测、工业过程控制、生命科学研究及医疗诊断领域。”

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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