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哈佛物理学家开发了一种强大的新芯片激光器，在中红外光谱中排放明亮的脉冲。这是一种难以捉摸但非常有用的光范围，可用于检测气体并启用新的光谱工具。

该设备将大型系统的功能集成到没有任何外部组件的情况下。它将突破性光子设计与量子级联激光技术结合在一起，预计将迅速通过一次检测数千个光频率来迅速彻底改变环境监测和医学诊断。

哈佛大学John A. Paulson工程和应用科学学院（SEA）的物理学家开发了一种紧凑的激光器，可以发射中红外光谱的明亮的超短脉冲灯光。该波长范围既科学又具有技术挑战。该设备的性能与较大的光子系统相当，但已完全集成在单个芯片上。

这项研究于今天（4月16日）发表，标志着芯片上的皮秒中型中红外激光脉冲发生器的首次演示，该激光脉冲发生器无需任何外部组件。激光可以生成光频梳—— A频谱由均匀分布的频率组成——被广泛用于高精度测量中。这个紧凑的平台有望使新一代的广谱气体传感器以及用于医学成像的高级光谱工具。

这项研究由高级作家Federico Capasso教授，海洋应用物理学罗伯特·L·华莱士（Robert L. Wallace）和电气工程高级研究员Vinton Hayes共同领导。该项目由国家科学基金会和国防部与维也纳理工大学（TU WIEN）的Schwarz团队合作，由Luigi A. Lugiato领导的意大利研究小组和Leonardo Drs Drs Daylight Solutions，由Timothy Day执导。

Caparo说：“这是一项令人兴奋的新技术，它集成了片上非线性光子学以生产中红外超短脉冲脉冲；这种技术从未见过。” “更重要的是，可以使用标准半导体制造工艺在工业激光铸造厂轻松生产该设备。”

艺术家绘制的中红外激光芯片的示意图，其中光学路径连接了各种组件。图像来源：Luo Runke

中红外带是电磁频谱的无形部分，现在已在环境中广泛使用。由于许多气体分子（例如二氧化碳和甲烷）可以有效地吸收中红外光，因此该波长范围已成为监测环境气体的重要工具，尤其是在1990年代由Capsaso率领的量子级联激光技术中。

新论文展示了一种生成宽带光源的方法，该宽带光源可以检测单个设备中气体的许多不同吸收指纹。

“这是创建我们所谓的超脑光源的关键一步，该光源可以在单个芯片上以不同的频率产生数千个光线，”该论文的联合作者兼Kapaso团队的研究人员Dmitry Kazakov说。 “我认为这对于该平台的未来发展具有现实的可能性。”

量子级联激光器是纳米光学工程中这一新成就的基础，它通过层压不同的纳米结构的半导体材料来产生连贯的中红外光束。与其他依赖成熟模式锁定技术生成脉冲数十年的半导体激光器不同，由于量子级联激光器由于其固有的超快动态特性而产生脉冲，因此仍然难以产生脉冲。

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的设备来实现脉冲排放以及许多离散的硬件组件。它们通常也受到一定的输出功率和光谱带宽的限制。

量子级联光子整合芯片的光学显微镜图像。图中所示的芯片包含两个相同的设备，每个设备包含四个组件：Fabry-Perot驱动激光器，波导耦合器，电阻加热器和一个跑道谐振器。图像来源：卡帕索实验室/哈佛工程和应用科学学院

这种新的脉冲发生器无缝将非线性集成光子学和集成激光器中的多个概念结合到一个设备中，从而产生了特定类型的Picsecond Light Pulse，即solitons。在设计芯片体系结构时，研究人员从看似无关的光学调制设备（—— Kerr Micreoresonator ——）中汲取了灵感。他们的创造性思维使他们能够绕过传统的脉搏生成技术，例如模式锁定。

“在量子级联激光研究中，我们的测量方法不是传统的，”该论文的联合第一作者，卡帕索团队的研究生Theodore Letsou说。 “我们融合了两个领域，并从克尔共振腔场的研究中汲取了研究，并将其应用于我们的系统。这是一个令人兴奋的过程。”

“对我来说，除了令人印象深刻的物理原理外，我们的新研究最重要的影响是，它使我们对制造和运营多组分体系结构有信心，这在中红外综合光子学领域一直是一项重大挑战，” Vienna技术大学的论文兼教授Benedikt Schwarz说。 “我们已经在开发新的架构来实现以前被认为是不可能的功能。”

研究人员借鉴了1980年代发表的基本理论，该理论为被动Kerr共振器设定了框架。新论文的合着者之一是路易吉·卢吉亚托（Luigi Lugiato），他致力于重复使用原始方程来描述中红外激光系统的动力学。

“这是始于Lugiato-Lefever方程式开始的旅程的令人兴奋的巅峰之作，”意大利Insumbria大学名誉教授Lugiato说。 “它最初是一个被动系统模型，现在已经发展成为各种腔体中孤子频率梳子的统一框架。这条路径使我们能够在轻度驱动量子级联激光器中预测孤子。该结果已经过实验验证。”

这种新的中红外激光能够可靠地产生脉冲数小时。至关重要的是，它也可以使用现有的工业制造工艺进行大规模生产，这将*加快其广泛使用。该设备由三个部分组成：外部驱动的环谐振器；启动环谐振器的芯片激光器；以及第二个活性环谐振器充当过滤器。这些芯片由维也纳技术大学生产。

莱昂纳多·DRS的论文兼高级副总裁兼总经理兼高级副总裁兼总经理蒂莫西·戴（Timothy Day）说：“这项技术有望真正改变中红外频谱。” “使用现有的制造工艺来实现这些设备的商业批量生产，将真正增强多个市场的未来发展，包括环境监测，工业过程控制，生命科学研究和医学诊断。”

从/scitechdaily编译