江蘇雷射聯盟導讀：在很長的一段時期內，科學家們一直在尋找一種簡單的方法來製造紅外脈衝的雷射，目前，這一目標在維也納技術大學（Vienna University of Technology）得以實現，他們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。
量子級聯雷射器（Quantum cascade lasers (QCL)）在產生中紅外雷射方面具有革命性的變化。然而，超快的攜帶傳輸在中紅外的量子級聯雷射器到目前位置還認為在形成超短脈衝信息時還存在明顯的障礙。在這裡，我們為大家展示了一個增益介質的仔細的量子設計和控制模間拍同步以促使從量子級聯雷射器的頻率梳中傳輸有限的皮秒脈衝。幹涉射頻技術和二階自相關均可以闡明脈衝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，我們的研究顯示，反相和同相同步的狀態均可以在量子級聯雷射器中存在。同時具有電泵浦和結構緊湊，鎖模的量子雷射器，為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。
通常的固態雷射，如用放映ppt所使用的雷射筆，其產生的雷射屬於可見光的波段。對於許多應用場合，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。這一波段的紅外雷射在製造的時候非常不容易，尤其是在雷射的發射需要極端短且強度比較高的脈衝的時候更是如此。
用於鎖模的量子級聯雷射器（quantum cascade lasers）的雙功能
頻率梳
我們所產生的雷射波長位於中紅外的範圍，且屬於定製的量子級聯雷射器，這一雷射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。當在通常的固態雷射器中，其發射的雷射類型通常取決於材料，對於量子級聯雷射器來說，則取決於納米尺度範圍內的微小的結構。通過適當的設計這些結構，其發射的雷射波長則可以被精確的進行調節。
我們的量子級聯雷射器並不僅僅是一個單色的雷射，同時還具有在幾乎所有的不同的頻率範圍內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者之間的距離幾乎相等，如同一個梳子一樣。因此，這一頻率被稱之為頻率梳。
雷射就像一個鐘擺
然而，這一量子級聯雷射器發射的頻率不僅是非常關鍵的，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橡皮筋將兩個鐘擺連接在一起的情況進行比較，Johannes Hillbrand解釋說，他們可以來回擺動，要麼完全是平行的，或者是相對的，因此他們要麼來回擺動，要麼兩者互相分離。並且兩個振動模型存在稍有不同的頻率。
這同雷射也非常相似，雷射是由不同波長的光所組成的。不同的單個的頻率梳的波長可以完全在同步的狀態下實現振動，於是他們可以在一個優化的方式上進行使(圖像甲)疊映在(圖像乙)上和可以產生短的，強烈的雷射脈衝。或者此時他們可以在他們的震蕩時進行偏移，此時就沒有脈衝產生，但雷射卻處於一個幾乎為連續的強度的狀態。
光調製器
在量子級聯雷射器中，在早先的時候時很難在兩個不同的變量之間來回切換的，Johannes Hillbrand說到。然而，我們構建了一個微小型的光調製器放置於量子級聯雷射器中，此時光波不斷的穿過它。一個交流的電壓施加在這一光調製器上。取決於電壓的頻率和電壓的強度，不同的光震蕩就可以在雷射中被激發出來。
如果你在完全正確的頻率來驅動這個調製器的話，你就可以獲得我們頻率梳的不同頻率，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短的，強度高的雷射脈衝中，遠遠超過每秒120億次。
T控制這一短的紅外雷射脈衝的水平在以前採用半導體雷射幾乎是不可能的。相似的光只能在使用非常昂貴和有損耗的辦法才能實現。目前我們的技術一個最突出的優勢就是可以實現小型化， Benedikt Schwarz強調說。我們可以使用它來製造出結構緊湊的測量儀器，例如，來使用這些特殊的雷射束來搜索氣體樣品中特定的分子。得益於這一雷射脈衝的高的雷射強度，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