科學(xué)家開(kāi)發(fā)具有兩個(gè)頻率梳對的半導體激光器

　　瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家采用一種新方法，從單個(gè)集成自由運行的半導體疊片激光器中產(chǎn)生高度穩定的偏移頻率梳對(Science，doi：10.1126 / science.aam7424)。他們在激光腔內使用雙折射晶體，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變晶體厚度來(lái)將光束與頻梳偏移可調諧分離。該團隊表示：“這大大降低了雙梳狀光譜學(xué)的復雜性。”這一新興技術(shù)可得到更廣泛的工業(yè)應用。

　　蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院科研團隊通過(guò)雙折射晶體的相同激光脈沖串，產(chǎn)生了兩個(gè)相干的偏移脈沖串，用于產(chǎn)生可以驅動(dòng)氣體樣品的雙梳狀光譜的一對光學(xué)頻率梳。使用外差檢測在微波域中提取雙梳狀信號。

　　尋求穩定

　　在2005年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的頻率梳狀光譜，通過(guò)包含數十萬(wàn)甚至數百萬(wàn)等間隔的銳線(xiàn)激光而產(chǎn)生的光譜作為標尺精確測量原子和分子。在雙梳法中，添加第二個(gè)頻率梳作為參考，可以顯著(zhù)提高該方法的掃描速率和光譜分辨率(參見(jiàn)“Dual-comb spectroscopy”，OPN，2017年1月)。在這兩種情況下，梳狀源通常是飛秒級別和模式鎖定的激光，其時(shí)域中的脈沖串在頻域中以緊密間隔的光梳出現。

　　然而將雙梳方法實(shí)際應用的巨大挑戰在于，實(shí)驗室中可實(shí)現的兩個(gè)相互相干的相位穩定的脈沖串，卻很難將其單獨自由運行的激光應用于工業(yè)環(huán)境中。一些雙梳裝置通過(guò)使用實(shí)時(shí)、計算誤差校正來(lái)克服這個(gè)難點(diǎn)，以實(shí)現雙梳間必需的穩定性。

　　另外一種產(chǎn)生兩個(gè)相互相干的穩定頻率梳的方法是從相同的自由運行的激光中產(chǎn)生雙梳。在這種方式中，產(chǎn)生配對頻率梳的兩個(gè)脈沖串共享一個(gè)腔，使得梳之間相互相干并且穩定，而不受相位鎖定或事后誤差校正的干擾。研究團隊現已經(jīng)證明了一些激光器的單激光雙梳陣列裝置;比如在2016年報道的一項研究中，使用具有反向傳播激光模式的環(huán)形腔以及非線(xiàn)性晶體來(lái)產(chǎn)生偏移脈沖序列(T.Illguchi等人，Optica，doi：10.1364 / OPTICA.3.000748)。

　　MIXSEL方式

　　由OSA研究員Ursula Keller領(lǐng)導的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團隊，希望驗證它是否可以通過(guò)使用光泵浦半導體疊片激光器獲得單激光雙梳陣列，這是基于晶片級技術(shù)的優(yōu)勢明顯且緊湊的平臺，因此可以將其應用于大批量生產(chǎn)和更廣泛應用。特別地，研究人員設計在鎖模集成的外腔表面發(fā)射激光器(MIXSEL)上進(jìn)行歸零。在MIXSEL中，可飽和吸收體(用于模式鎖定)和增益介質(zhì)集成到同一個(gè)半導體芯片中;該芯片在激光腔的一端形成反射鏡，另一端具有輸出耦合器。外部二極管激光器泵浦MIXSEL腔。

　　在MIXSEL腔內，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院還放置了另一個(gè)元件：雙折射晶體。晶體通過(guò)偏振將MIXSEL源分為兩根共線(xiàn)脈沖串;此外，由于兩列脈沖串通過(guò)它的光程長(cháng)度差異，所以安排晶體滿(mǎn)足兩個(gè)脈沖列之間的脈沖重復頻率所需的差值。

　　結果驗證了兩根共線(xiàn)的光學(xué)頻率梳在光電檢測器處干涉。與其他雙梳組合一樣，使用外差檢測進(jìn)行實(shí)際測量，兩個(gè)THz頻率梳被混合以產(chǎn)生單個(gè)微波頻率梳;混合信號將兩個(gè)光頻梳的寬帶、高分辨率光譜信號編碼為快速可讀、完善的RF數字信號處理的拍頻。

　　水測試

　　該團隊在水蒸氣雙梳光譜實(shí)驗中測試了該裝置，使用穩定自由運行的激光器，實(shí)現了快速、良好的光譜分析結果。研究表明，添加混合微波梳的簡(jiǎn)單誤差校正/穩定性進(jìn)一步提高了信噪比特性和穩定性，并可以通過(guò)調整雙折射晶體的厚度(因此施加的光程長(cháng)度差)來(lái)調節兩梳之間的頻率差。

　　根據該團隊的說(shuō)法，該系統的一個(gè)缺點(diǎn)是MIXSEL生成的頻率梳具有相對有限的帶寬。這意味著(zhù)分析具有不同共振頻率的分子種類(lèi)(例如)可能需要不同的MIXSEL激光器。

　　研究人員指出，半導體行業(yè)已經(jīng)建立的帶隙工程技術(shù)，讓這些基于MIXSEL系統的中心波長(cháng)變得相對容易和便宜實(shí)現。因此，研究人員認為，具有特定工作波長(cháng)的半導體疊片激光器陣列，可以比單個(gè)昂貴可調Ti：藍寶石激光器更緊湊和經(jīng)濟劃算。“我們相信，雙梳MIXSEL方法有可能將雙梳狀光譜從實(shí)驗室環(huán)境帶到現場(chǎng)，用于廣泛的工業(yè)應用。”