科學家開發具有兩個頻率梳對的半導體雷射器

2020-11-25 OFweek維科網

瑞士蘇黎世聯邦理工學院的科學家採用一種新方法，從單個集成自由運行的半導體疊片雷射器中產生高度穩定的偏移頻率梳對（Science，doi：10.1126 / science.aam7424）。他們在雷射腔內使用雙折射晶體，可以簡單地通過改變晶體厚度來將光束與頻梳偏移可調諧分離。該團隊表示：「這大大降低了雙梳狀光譜學的複雜性。」這一新興技術可得到更廣泛的工業應用。

蘇黎世聯邦理工學院科研團隊通過雙折射晶體的相同雷射脈衝串，產生了兩個相干的偏移脈衝串，用於產生可以驅動氣體樣品的雙梳狀光譜的一對光學頻率梳。使用外差檢測在微波域中提取雙梳狀信號。

尋求穩定

在2005年獲得諾貝爾物理學獎的頻率梳狀光譜，通過包含數十萬甚至數百萬等間隔的銳線雷射而產生的光譜作為標尺精確測量原子和分子。在雙梳法中，添加第二個頻率梳作為參考，可以顯著提高該方法的掃描速率和光譜解析度（參見「Dual-comb spectroscopy」，OPN，2017年1月）。在這兩種情況下，梳狀源通常是飛秒級別和模式鎖定的雷射，其時域中的脈衝串在頻域中以緊密間隔的光梳出現。

然而將雙梳方法實際應用的巨大挑戰在於，實驗室中可實現的兩個相互相干的相位穩定的脈衝串，卻很難將其單獨自由運行的雷射應用於工業環境中。一些雙梳裝置通過使用實時、計算誤差校正來克服這個難點，以實現雙梳間必需的穩定性。

另外一種產生兩個相互相干的穩定頻率梳的方法是從相同的自由運行的雷射中產生雙梳。在這種方式中，產生配對頻率梳的兩個脈衝串共享一個腔，使得梳之間相互相干並且穩定，而不受相位鎖定或事後誤差校正的幹擾。研究團隊現已經證明了一些雷射器的單雷射雙梳陣列裝置；比如在2016年報導的一項研究中，使用具有反向傳播雷射模式的環形腔以及非線性晶體來產生偏移脈衝序列（T.Illguchi等人，Optica，doi：10.1364 / OPTICA.3.000748）。

MIXSEL方式

由OSA研究員Ursula Keller領導的蘇黎世聯邦理工學院團隊，希望驗證它是否可以通過使用光泵浦半導體疊片雷射器獲得單雷射雙梳陣列，這是基於晶片級技術的優勢明顯且緊湊的平臺，因此可以將其應用於大批量生產和更廣泛應用。特別地，研究人員設計在鎖模集成的外腔表面發射雷射器（MIXSEL）上進行歸零。在MIXSEL中，可飽和吸收體（用於模式鎖定）和增益介質集成到同一個半導體晶片中；該晶片在雷射腔的一端形成反射鏡，另一端具有輸出耦合器。外部二極體雷射器泵浦MIXSEL腔。

在MIXSEL腔內，蘇黎世聯邦理工學院還放置了另一個元件：雙折射晶體。晶體通過偏振將MIXSEL源分為兩根共線脈衝串；此外，由於兩列脈衝串通過它的光程長度差異，所以安排晶體滿足兩個脈衝列之間的脈衝重複頻率所需的差值。

結果驗證了兩根共線的光學頻率梳在光電檢測器處幹涉。與其他雙梳組合一樣，使用外差檢測進行實際測量，兩個THz頻率梳被混合以產生單個微波頻率梳；混合信號將兩個光頻梳的寬帶、高解析度光譜信號編碼為快速可讀、完善的RF數位訊號處理的拍頻。

水測試

該團隊在水蒸氣雙梳光譜實驗中測試了該裝置，使用穩定自由運行的雷射器，實現了快速、良好的光譜分析結果。研究表明，添加混合微波梳的簡單誤差校正/穩定性進一步提高了信噪比特性和穩定性，並可以通過調整雙折射晶體的厚度（因此施加的光程長度差）來調節兩梳之間的頻率差。

根據該團隊的說法，該系統的一個缺點是MIXSEL生成的頻率梳具有相對有限的帶寬。這意味著分析具有不同共振頻率的分子種類（例如）可能需要不同的MIXSEL雷射器。

研究人員指出，半導體行業已經建立的帶隙工程技術，讓這些基於MIXSEL系統的中心波長變得相對容易和便宜實現。因此，研究人員認為，具有特定工作波長的半導體疊片雷射器陣列，可以比單個昂貴可調Ti：藍寶石雷射器更緊湊和經濟划算。「我們相信，雙梳MIXSEL方法有可能將雙梳狀光譜從實驗室環境帶到現場，用於廣泛的工業應用。」

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