在很長的一段時期內(nei) ，科學家們(men) 一直在尋找一種簡單的方法來製造紅外脈衝(chong) 的激光，目前，這一目標在維也納技術大學（Vienna University of Technology）得以實現，他們(men) 同哈佛大學的研究人員開展合作研究實現了這一目標。這一新技術不再需要比較苯大的設備設施，它可以以比較小型化和尤其比較適合應用於(yu) 實踐中應用的特定場合。這一最新研究成果發表在近期出版的Nature子刊《Nature Communications》上。

量子級聯激光器（Quantum cascade lasers (QCL)）在產(chan) 生中紅外激光方麵具有革命性的變化。然而，超快的攜帶傳(chuan) 輸在中紅外的量子級聯激光器到目前位置還認為(wei) 在形成超短脈衝(chong) 信息時還存在明顯的障礙。在這裏，我們(men) 為(wei) 大家展示了一個(ge) 增益介質的仔細的量子設計和控製模間拍同步以促使從(cong) 量子級聯激光器的頻率梳中傳(chuan) 輸有限的皮秒脈衝(chong) 。幹涉射頻技術和二階自相關(guan) 均可以闡明脈衝(chong) 動力學和證實鎖模操作可以在門檻值到翻轉電流均可以實現。而且，我們(men) 的研究顯示，反相和同相同步的狀態均可以在量子級聯激光器中存在。同時具有電泵浦和結構緊湊，鎖模的量子激光器，為(wei) 單片集成非線性光子學在分子指印區域超過6μm波長的範圍進行測量鋪平了道路。

通常的固態激光，如用放映ppt所使用的激光筆，其產(chan) 生的激光屬於(yu) 可見光的波段。對於(yu) 許多應用場合，然而，例如在探測分子的場合，就需要發射中紅外波長範圍的光來進行探測。這一波段的紅外激光在製造的時候非常不容易，尤其是在激光的發射需要極端短且強度比較高的脈衝(chong) 的時候更是如此。

用於(yu) 鎖模的量子級聯激光器（quantum cascade lasers）的雙功能

頻率梳

我們(men) 所產(chan) 生的激光波長位於(yu) 中紅外的範圍，且屬於(yu) 定製的量子級聯激光器，這一激光器是在維也納技術大學超現代的納米中心完成的。 Johannes Hillbrand說到，他是維也納技術大學固態電子研究所的研究人員，該論文的第一作者。當在通常的固態激光器中，其發射的激光類型通常取決(jue) 於(yu) 材料，對於(yu) 量子級聯激光器來說，則取決(jue) 於(yu) 納米尺度範圍內(nei) 的微小的結構。通過適當的設計這些結構，其發射的激光波長則可以被精確的進行調節。

我們(men) 的量子級聯激光器並不僅(jin) 僅(jin) 是一個(ge) 單色的激光，同時還具有在幾乎所有的不同的頻率範圍內(nei) 可以進行調節的功能， Benedikt Schwarz副教授說到，它領導著這一研究。這些頻率可以非常均勻規律的進行調節，其頻率調節的時候同兩(liang) 者之間的距離幾乎相等，如同一個(ge) 梳子一樣。因此，這一頻率被稱之為(wei) 頻率梳。

激光就像一個(ge) 鍾擺

然而，這一量子級聯激光器發射的頻率不僅(jin) 是非常關(guan) 鍵的，同時各自的光波振蕩的相位也是非常重要的。你可以將這一現象同時用一個(ge) 橡皮筋將兩(liang) 個(ge) 鍾擺連接在一起的情況進行比較，Johannes Hillbrand解釋說，他們(men) 可以來回擺動，要麽(me) 完全是平行的，或者是相對的，因此他們(men) 要麽(me) 來回擺動，要麽(me) 兩(liang) 者互相分離。並且兩(liang) 個(ge) 振動模型存在稍有不同的頻率。

這同激光也非常相似，激光是由不同波長的光所組成的。不同的單個(ge) 的頻率梳的波長可以完全在同步的狀態下實現振動，於(yu) 是他們(men) 可以在一個(ge) 優(you) 化的方式上進行使(圖像甲)疊映在(圖像乙)上和可以產(chan) 生短的，強烈的激光脈衝(chong) 。或者此時他們(men) 可以在他們(men) 的震蕩時進行偏移，此時就沒有脈衝(chong) 產(chan) 生，但激光卻處於(yu) 一個(ge) 幾乎為(wei) 連續的強度的狀態。

光調製器

在量子級聯激光器中，在早先的時候時很難在兩(liang) 個(ge) 不同的變量之間來回切換的，Johannes Hillbrand說到。然而，我們(men) 構建了一個(ge) 微小型的光調製器放置於(yu) 量子級聯激光器中，此時光波不斷的穿過它。一個(ge) 交流的電壓施加在這一光調製器上。取決(jue) 於(yu) 電壓的頻率和電壓的強度，不同的光震蕩就可以在激光中被激發出來。

如果你在完全正確的頻率來驅動這個(ge) 調製器的話，你就可以獲得我們(men) 頻率梳的不同頻率，均可以確實的進行同步振蕩，Benedikt Schwarz說到，這就使得有可能將這些頻率整合成一個(ge) 短的，強度高的激光脈衝(chong) 中，遠遠超過每秒120億(yi) 次。

T控製這一短的紅外激光脈衝(chong) 的水平在以前采用半導體(ti) 激光幾乎是不可能的。相似的光隻能在使用非常昂貴和有損耗的辦法才能實現。目前我們(men) 的技術一個(ge) 最突出的優(you) 勢就是可以實現小型化， Benedikt Schwarz強調說。我們(men) 可以使用它來製造出結構緊湊的測量儀(yi) 器，例如，來使用這些特殊的激光束來搜索氣體(ti) 樣品中特定的分子。得益於(yu) 這一激光脈衝(chong) 的高的激光強度，測量需要在同時進行雙光子就行測量的時候也是可能實現的。

More information:Johannes Hillbrand et al. Mode-locked short pulses from an 8 μm wavelength semiconductor laser, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19592-1