红外激光器问世单芯片皮秒级

据《自然》杂志16日报道，美国哈佛大学物理学家团队首次展示了一种集成在芯片上的皮秒级红外激光脉冲发生器，无需外部部件即可运行，覆盖关键气体吸收带的光谱可以在几个小时内顺利生成。这种新型激光有望加速高灵敏度、宽光谱气体传感器的研发，为环境监测提供更有效的检测工具，为医学成像领域带来新的光谱分析技术。

这种激光的基础是90年代开创的量子级联技术。量子级联激光器通过将不同的纳米结构半导体材料层叠在一起，产生相关的中红外光束。量子级联激光器由于其固有的极快动力学特性，由于其他半导体激光器几十年来一直依赖锁模技术产生脉冲，一直很难产生脉冲。基于量子级联激光的现有中红外脉冲发生器通常需要复杂的设置才能实现脉冲发射，并且需要大量分离的硬件部件。它们通常受到特定输出功率和光谱带宽的限制。

这一次，在设计芯片架构时，研究人员从克尔微谐振器的光调配设备中获得了灵感。结合非线性光子学的概念，环状谐振器、激光源和滤波器无缝集成在单芯片上。皮秒级光脉冲输出是通过孤子脉冲自激机制制成的，不需要外部组件。

实验表明，新型激光器可以在中红外波段产生精密的光谱，称为光学频率梳。光学频率梳是由等间隔频率线(如梳齿)组成的光谱，目前已广泛应用于高精度测量领域。

研究人员表示，这一成就以前没有实现。更重要的是，这类设备可以利用标准半导体制造技术在工业激光代工厂实现大规模生产。

目前，中红外波已经在环境领域显示出重要的实用价值。由于许多气体分子，如二氧化碳和甲烷，可以有效吸收中红外光，因此这种波长范围已经成为监测环境气体的重要工具。