瑞士研究者在量子級聯雷射器研究獲進展

量子級聯雷射器是一種明亮緊湊的半導體雷射器，在中遠紅外光譜區域發光。

封閉環形腔使它們走上了通向超快脈衝的道路。復金茲堡朗道方程是連接許多物理領域的數學基礎，包括超導性、超流體、非線性光子學和水波。將一個新的物理系統或問題映射或近似到這個基本方程或它的許多導數之一，例如非線性薛丁格方程，通常標誌著理解整個系統的重大進展。來自洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員們在《自然》雜誌上報導了關於量子級聯雷射器（QCL）的重大進展。論文連結為：https://doi.org/10.1038/s41567-020-0945-2。

QCL利用了半導體量子阱中導帶子帶間的級聯躍遷。因此，它們可以被電泵浦，從而產生高的平均功率和很長的相干長度，因此已經成為各種中紅外應用的首選光源。中紅外光譜區域被稱為「分子指紋區」，這裡有許多有機基團和分子的基本振動躍遷，這就是中紅外光譜在醫學診斷和生化分析方面具有巨大潛力的原因，這也推動了雷射技術的進步。然而，由於有源半導體介質導帶子帶中光聲子和電子之間以散射形式的快速非輻射弛豫而產生的超快增益恢復時間，使得QCL的脈衝狀態工作困難。

QCL頻率梳通常採用線性法布裡 - 珀羅雷射器。空間燒孔通過駐波腔有選擇的使集居數反轉去激發，迫使他們在頻率調製模式下操作，其中載頻變化迅速和周期性的往返只有很少的強度變化。研究人員表示，單向環形QCL輸出的光脈衝不同於法布裡 - 珀羅QCL（如圖1）。眾所周知，驅動耗散非線性系統脫離熱平衡，研究人員報告的環形QCL可以支持由色散和非線性複雜的雙平衡以及外部驅動和耗散產生的穩定脈衝解決方案。這種耗散孤子在自然界中普遍存在，在各種有源和無源雷射器中都可以觀察到。

圖1 單向環形量子級聯雷射器原理圖

研究人員們通過推導環形QCL的運行主方程來支持他們的實驗，該方程包括半導體增益材料的快速振幅和相位力學。他們通過絕熱消除快載流子動力學，將單向環QCL的方程映射到金茲堡朗道方程中。由此得到的數學項具有與色散和克爾非線性相似的結構。主方程的數值解表明，光脈衝是通過相位湍流的中間狀態從數值種子噪聲中自發產生的。相位湍流描述了金茲堡朗道方程的一種狀態，在這種狀態下，連續背景下會出現小的混沌振蕩。在環形QCL的情況下，由於修正色散項和非線性項的相互作用，初始混沌圖案趨於穩定，並且每個腔往返出現可變數量的穩定光脈衝。這種行為類似於被動光腔中耗散克爾孤子產生的情況。然而，在標誌耗散克爾孤子特性的許多顯著特徵中，最重要的是窄線寬種子雷射器的相干泵浦，它對於低損耗腔具有明確的失調，以及連續波和孤子解的雙穩性，這不能直接轉化環形QCL，但可以為今後研究環形QCL的基本相圖提供指導。

閉合環QCL結構的關鍵問題是如何有效地從腔中提取光輻射。傳統的集成微環雷射器是用破壞旋轉對稱性的消逝波導耦合器製造的。這導致了順時針和逆時針空腔模式之間的混合，進而導致空腔中出現駐波圖案和空間燒孔現象。研究人員們進行了一項巧妙的附加實驗，探索了介於線性法布裡 - 珀羅腔和閉合環之間的方案：通過在環形波導中部分蝕刻的縫隙，實現對環中順時針和逆時針模式之間的耦合量的控制，從而控制空間燒孔。研究所人員由此證明合適的反射係數足以驅動QCL作為調頻雷射器。此外，該研究結果還表明環形QCL中沒有空間燒孔現象，並對輸出耦合器的反射率設定了1%的上限，該閾值與環形QCL未來的實際操作相兼容。

幾十年來，半導體雷射器的多模不穩定性一直困擾著研究人員和工程師，由於他們一直試圖提高緊湊型雷射源的相干性。然而，通過理解、利用和控制等多模操作，可以產生如相干的短光脈衝序列等具有激發特性的新光源。研究人員們提出的新的環形QCL主方程將推動半導體雷射器中孤子波形綜合理論的發展。