導(dǎo)讀:量子級聯(lián)激光經(jīng)過不斷的革新，可以產(chǎn)生中紅外波長的激光。然而，在中紅外量子級聯(lián)激光中的超快傳輸被認(rèn)為是形成超短光脈沖所不可克服的障礙。在這里，我們?yōu)榇蠹艺故玖嗽鲆娼橘|(zhì)的仔細的量子設(shè)計和控制模間拍同步以促使從量子級聯(lián)激光器中的頻率梳中轉(zhuǎn)換成有限的皮秒脈沖。干涉射頻技術(shù)和二階自相關(guān)技術(shù)闡明了脈沖動力學(xué)和證實了鎖模的運行可以從門檻值到翻轉(zhuǎn)電流來獲得。而且，我們的結(jié)果表明反相和同相同步狀態(tài)在量子級聯(lián)激光器中是存在的。由于是電泵浦且結(jié)構(gòu)緊湊體積小，鎖模量子級聯(lián)激光器為單片集成非線性光子在小于 6μm波長區(qū)域的分子指紋區(qū)鋪平了道路。

圖1 自由空間外環(huán)空腔量子級聯(lián)激光器的光學(xué)設(shè)置圖

圖解：BS, 偏振分光鏡(beam splitter）; CCW, 逆時針方向（counter clockwise direction）; CW, 順時針方向（clockwise direction）; DG,衍射光柵（ diffraction grating）; L, 激光透鏡（Laspheric lenses); M, 鏡片（mirrors）; MCT, 探頭，detector; QCL,量子級聯(lián)激光器（ quantum cascade laser）

超短脈沖激光的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了許多科學(xué)與技術(shù)的重大突破，包括頻率梳，高速光通信和眼科屈光手術(shù)等?，F(xiàn)如今，光脈沖的常規(guī)生成是在鎖模激光中的可見光范圍或近紅外波長范圍。在當(dāng)今，大量的工作瞄準(zhǔn)在中紅外區(qū)域的超快激光科學(xué)上并取得了比較相似的成熟度。由于缺乏適宜的增益介質(zhì)，在波長超過5μm的分子指紋區(qū)所生成的脈沖到目前為止主要依靠近紅外脈沖非線性的能量下轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)有的技術(shù)，如光參量振蕩器（ optical parametric oscillators）或差頻產(chǎn)生（difference frequency generation），要么需要復(fù)雜的具有桌面尺寸的光學(xué)裝置或被限制在mW級別的輸出功率上。

圖2 鎖模雙功能量子級聯(lián)激光器 （Quantum cascade lasers (QCL)）

比較成熟的量子級聯(lián)激光器（Quantum cascade lasers (QCL) ）開始占據(jù)主流的是中紅外激光。當(dāng)只有微芯片尺寸大小和采用電泵浦的時候，他們能夠產(chǎn)生平均功率為W級水平的功率?；顒訁^(qū)的量子工程使得通過整個中外紅區(qū)域的光譜中定制發(fā)射的波長成為可能。因此，利用高性能的量子級聯(lián)激光技術(shù)生成中紅外的脈沖代表了超快激光科學(xué)中長期尋求突破的里程碑。鎖模量子級聯(lián)激光器可以作為一體化的泵浦激光用作微諧振器和共振超連續(xù)譜產(chǎn)生，為寬帶和高亮度的頻率梳的產(chǎn)生鋪平了道路。因此，在中紅外量子級聯(lián)激光器中的主動區(qū)的亞皮秒載流子輸送則成了形成短的光脈沖的一個似乎無法逾越的障礙。中紅外量子級聯(lián)激光器的壽命上限狀態(tài)和增益恢復(fù)時間均在皮秒到亞皮秒的時間范圍內(nèi)，這遠遠的比空腔往返時間要短。因此，中紅外量子級聯(lián)激光器對準(zhǔn)連續(xù)強度的波形形成，而不是短的脈沖。注意到在THz量子級聯(lián)激光器中，其增益恢復(fù)時間在 5ps 到 50ps ，主動鎖模脈沖被多個工作給予了報道，其脈沖持續(xù)時間小于4 ps。

圖3 從 8μm波長的量子級聯(lián)激光器中產(chǎn)生的鎖模脈沖

直到今天，唯一取得成功的一體化中紅外量子級聯(lián)激光器（Quantum cascade lasers (QCL) ）鎖模是采用一個特殊設(shè)計的具有強烈增強的激光躍遷的壽命上限狀態(tài)的主動區(qū)而實現(xiàn)的。然而，所必須的設(shè)計改變限制了鎖模運行在低溫的條件下和功率低于10mW，因此，限制了該技術(shù)的實用性。最近，在外環(huán)腔中的主動鎖模的量子級聯(lián)激光器被人給予了報道。這一技術(shù)使得空間燒孔的不利效應(yīng)得到了減輕并使得通過調(diào)制整個量子級聯(lián)激光的一個大量的調(diào)制深度大為拓展，而不再僅僅局限于一個小的區(qū)間。當(dāng)鎖模運行在室溫下被觀察到的時候，其平均功率限制在3mW，其脈沖持續(xù)時間為超過70ps，據(jù)估計其峰值功率低于0.5W。

圖4 在強調(diào)制下的同 步性

在本文中，來自奧地利的研究人員為大家展示了一個在高性能和一體化的8μm波長的量子級聯(lián)激光器中在室溫的條件下生成皮秒脈沖的實驗，并從實驗角度和模擬角度進行了研究。通過電調(diào)制腔內(nèi)損失來實現(xiàn)鎖模，利用一個原本用于有效的射頻注射的短調(diào)制界面來實現(xiàn)的，見圖2（a）。兩個不同的用干涉儀測量的技術(shù)用來證實鎖模的運行可以在整個激光范圍內(nèi)獲得。此外，我們還展示了反相和同相同步狀態(tài)下可以通過變化調(diào)制頻率來激發(fā)。最后，高速光探測一體化集成在激光芯片上，我們并測量了激光拍音的前三個諧波，結(jié)果表明他們的幅度可以在鎖模區(qū)域內(nèi)提高至少2個數(shù)量級。

這一研究成果發(fā)表在近日出版的頂刊《Nature Communications 》上。

文章來源：Hillbrand, J., Opaak, N., Piccardo, M. et al. Mode-locked short pulses from an 8 μm wavelength semiconductor laser. Nat Commun 11, 5788 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19592-1

參考文獻：Revin, D., Hemingway, M., Wang, Y. et al. Active mode locking of quantum cascade lasers in an external ring cavity. Nat Commun 7, 11440 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms11440