红外激光脉冲新技术

红外激光脉冲新技术

固态激光器产生的激光多在可见光的范围，比如激光笔。许多应用需要中红外激光，如分子探测等。而生成红外激光较为困难，尤其是超短、高强脉冲的红外激光。

很长一段时间以来，科学家们都在寻找一种制造红外激光脉冲的简单办法。如今，维也纳技术大学与哈佛大学合作，成功输出了超短红外激光脉冲。这种新技术无需任何大型实验设备，体积可缩小，对于某些应用来说十分重要。此项研究结果发表于Nature Communications。

频率梳

“在维也纳技术大学的纳米中心，我们使用经过设计的量子级联激光器生成了红外激光。” 维也纳技术大学固态电子研究所的Johannes Hillbrand说，他是本文的第一作者。寻常的固态激光器中，所发出的光的种类取决于材料中的原子种类，而在量子级联激光器中，纳米尺度的微结构起决定性作用。通过精心设计这些微结构，可以精确调整激光波长。

“我们的量子级联激光器不是只发出单一颜色的光，而是发出一系列不同频率的光。” Benedikt Schwarz副教授说，他领导了此项由欧洲研究委员会资助的研究项目。“这些频率排列得很有规律，其间距如同梳子的齿一般，是固定的。因此这种频谱被称为频率梳。”

“钟摆”光

不仅是量子级联激光器发出的频率起到决定性作用，每个频率光波的相位也起决定作用。“就像两个由橡皮筋连接的钟摆，” Johannes Hillbrand解释道。“两个钟摆可以以完全相同、或者相反的方向前后摆动，所以它们要么向对方摆动，要么向远离对方的方向摆动。这两种振动模式的频率略有不同。”

这与由不同波长组成的激光非常相似：频率梳的单个光波可以完全同步振荡、以最佳相位叠加，产生短而强的激光脉冲；或者其振荡之间存在相位差，此时不会产生脉冲，而是产生强度基本均匀的激光。

光学调制器

Johannes Hillbrand说：“以往的量子级联激光器很难在这两种模式之间切换。然而，我们在量子级联激光器中嵌入了一个小型调制器，光波反复穿过这个调制器；同时在调制器上施加一个交流电压，根据电压的频率和强度不同，可以在激光中激发不同的光振荡。

Benedikt Schwarz说：“使用合适的频率驱动调制器，可使频率梳的不同频率完全同步振荡。而这使这些频率有可能组合成短而强的激光脉冲，可达超过每秒120亿次。”

在此之前，半导体激光器基本不可能实现如此短的短红外激光脉冲。如此短的光最多只能通过成本高昂、高损耗的方法产生。“我们的技术还有一个关键优势，即可以小型化。”Benedikt Schwarz强调。“比如，这项技术可以用于小型测量仪器中，使用特殊的激光束来检测气体样本中的特定分子。激光脉冲的高光强，使得同时需要两个光子的测量也成为可能。”

原文见：http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-19592-1 。