導(dǎo)讀:量子級(jí)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(jí)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(xì)的量子設(shè)計(jì)和控制模間拍同步以促使從量子級(jí)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(dòng)力學(xué)和證實(shí)了鎖模的運(yùn)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(jí)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(jí)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(jí)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(shí)針方向（counter clockwise direction）; CW, 順時(shí)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(jí)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。現(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(jí)別的輸出功率上。
圖2 鎖模雙功能量子級(jí)聯(lián)激光器 （Quantum cascade lasers (QCL)）
比較成熟的量子級(jí)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(shí)候，他們能夠產(chǎn)生平均功率為W級(jí)水平的功率?；顒?dòng)區(qū)的量子工程使得通過整個(gè)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(jí)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(jí)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(jí)聯(lián)激光器中的主動(dòng)區(qū)的亞皮秒載流子輸送則成了形成短的光脈沖的一個(gè)似乎無法逾越的障礙。中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的壽命上限狀態(tài)和增益恢復(fù)時(shí)間均在皮秒到亞皮秒的時(shí)間范圍內(nèi)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)的比空腔往返時(shí)間要短。因此，中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器對(duì)準(zhǔn)連續(xù)強(qiáng)度的波形形成，而不是短的脈沖。注意到在THz量子級(jí)聯(lián)激光器中，其增益恢復(fù)時(shí)間在 5ps 到 50ps ，主動(dòng)鎖模脈沖被多個(gè)工作給予了報(bào)道，其脈沖持續(xù)時(shí)間小于4 ps。
圖3 從 8μm波長的量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器（Quantum cascade lasers (QCL) ）鎖模是采用一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的具有強(qiáng)烈增強(qiáng)的激光躍遷的壽命上限狀態(tài)的主動(dòng)區(qū)而實(shí)現(xiàn)的。然而，所必須的設(shè)計(jì)改變限制了鎖模運(yùn)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(shí)用性。最近，在外環(huán)腔中的主動(dòng)鎖模的量子級(jí)聯(lián)激光器被人給予了報(bào)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(gè)量子級(jí)聯(lián)激光的一個(gè)大量的調(diào)制深度大為拓展，而不再僅僅局限于一個(gè)小的區(qū)間。當(dāng)鎖模運(yùn)行在室溫下被觀察到的時(shí)候，其平均功率限制在3mW，其脈沖持續(xù)時(shí)間為超過70ps，據(jù)估計(jì)其峰值功率低于0.5W。
圖4 在強(qiáng)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(gè)在高性能和一體化的8μm波長的量子級(jí)聯(lián)激光器中在室溫的條件下生成皮秒脈沖的實(shí)驗(yàn)，并從實(shí)驗(yàn)角度和模擬角度進(jìn)行了研究。通過電調(diào)制腔內(nèi)損失來實(shí)現(xiàn)鎖模，利用一個(gè)原本用于有效的射頻注射的短調(diào)制界面來實(shí)現(xiàn)的，見圖2（a）。兩個(gè)不同的用干涉儀測量的技術(shù)用來證實(shí)鎖模的運(yùn)行可以在整個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)。
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(xiàn)：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
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
