哈佛造出芯片大小的激光器，亮度足以绘制看不见的世界

哈佛大学的物理学家开发了一种功能强大的新型片上激光器，可以在中红外光谱中发射明亮的脉冲 —— 这是一种难以捉摸且非常有用的光范围，用于检测气体和实现新的光谱工具。

该设备将更大系统的功能打包到一个微型芯片中，不需要任何外部组件。它将突破性的光子设计与量子级联激光技术相结合，并可能很快通过一次性检测数千个光频率来彻底改变环境监测和医学诊断。

紧凑型中红外激光技术的突破

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的物理学家们已经开发出一种紧凑型激光器，它可以在中红外光谱中发射明亮的超短脉冲光 —— 这一波长范围在科学上有价值，在技术上具有挑战性。该设备提供了更大的光子系统的性能，但完全适合在一个芯片上。

4月16日发表在《自然》杂志上的这项研究，标志着芯片上皮秒中红外激光脉冲发生器的首次演示，该发生器无需任何外部组件即可运行。激光可以产生一个光学频率梳 —— 由均匀间隔的频率组成的频谱 —— 广泛用于高精度测量。这种紧凑的平台可以帮助实现用于环境监测的新一代广谱气体传感器，以及用于医学成像的先进光谱工具。

国际团队和强大的支持网络

该研究由资深作者Federico Capasso、SEAS的Robert L.Wallace应用物理学教授和Vinton Hayes电气工程高级研究员领导。该项目由国家科学基金会和国防部资助，与维也纳理工大学（TU Wien）的Schwarz小组、Luigi a.Lugiato领导的意大利研究小组和Timothy Day指导下的Leonardo DRS Daylight Solutions合作。

Capasso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，在中红外产生超短光脉冲；到目前为止还没有这样的东西。更重要的是，这种设备可以在工业激光代工厂使用标准半导体制造技术轻松生产。”

中红外在气体检测中的作用

中红外是电磁波谱中不可见的部分，今天在环境应用中得到了利用。由于二氧化碳和甲烷等许多气体分子都能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，特别是在20世纪90年代由Capasso首创的量子级联激光技术中。

这篇新论文展示了一种产生宽带光源的方法，例如，这种光源可以在单个设备中检测许多不同的气体吸收指纹。

“这是创造我们所说的超连续源的关键一步，它可以在一个芯片上产生数千种不同频率的光，”Capasso小组的共同第一作者和研究助理德米特里·卡扎科夫说。“我认为这是这个平台未来的真正可能性。”

克服QCL中的脉冲挑战

纳米光子工程新壮举的基础是量子级联激光器，它通过将不同的纳米结构半导体材料分层在一起产生中红外光的相干光束。几十年来，其他半导体激光器一直依赖于被称为锁模的成熟技术来产生脉冲，而量子级联激光器由于其固有的超快动力学特性，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置来实现脉冲发射以及许多分立的硬件组件。它们通常也受限于一定的输出功率和频谱带宽。

用孤子和微谐振器解决脉冲问题

新的脉冲发生器将非线性集成光子学和集成激光中的几个概念无缝地结合到一个设备中，以产生特定类型的皮秒光脉冲，称为孤子。在设计他们的芯片架构时，研究人员从一种看似无关的光调制装置 —— 克尔微谐振器中获得了灵感。他们的创造性思维使他们能够绕过传统的技术，如模式锁定，以产生脉冲。

“当涉及到量子级联激光研究时，我们的测量是非传统的，”共同第一作者西奥多·莱苏说，他是麻省理工学院的研究生，也是Capasso小组的研究员。“我们合并了两种类型的领域，并将克尔谐振器社区所做的应用到我们的系统中。这是一个令人兴奋的过程。”

20世纪80年代的理论遇上了现代激光

研究人员借鉴了20世纪80年代发表的一项基础理论，该理论为无源克尔谐振器建立了框架。这篇新论文的合著者之一是Luigi Lugiato，他致力于重新利用他的原始方程来描述中红外激光系统的动力学。

“这是始于卢贾托-勒费弗方程的旅程的一个令人兴奋的高潮，”Lugiato说，他是意大利因苏比亚大学的名誉教授。“一开始作为被动系统的模型已经演变成各种空腔中孤子频率梳的统一框架。这条路径使我们预测光驱动量子级联激光器中的孤子高于阈值，现在这个实验证实了这一点。”

规模准备：工业制造友好设计

新的中红外激光器可以可靠地保持脉冲产生数小时。至关重要的是，它也可以使用现有的工业制造工艺大规模生产，这可以大大提高其广泛采用的速度。该装置由可外部驱动的环形谐振器组成；驱动环形谐振器的片上激光器；第二个有源环形谐振器作为滤波器。这些芯片是在维也纳工业大学制造的。

“这项技术有望成为中红外光谱领域真正的游戏规则改变者，”论文合著者、Leonardo DRS日光解决方案业务部高级副总裁兼总经理Timothy Day说。“利用现有制造工艺批量生产这些设备的能力，可以真正推动未来几个市场的发展，包括环境监测、工业过程控制、生命科学研究和医疗诊断。”

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