科學(xué)家開發(fā)具有兩個頻率梳對的半導(dǎo)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，從單個集成自由運行的半導(dǎo)體疊片激光器中產(chǎn)生高度穩(wěn)定的偏移頻率梳對(Science，doi：10.1126 / science.aam7424)。他們在激光腔內(nèi)使用雙折射晶體，可以簡單地通過改變晶體厚度來將光束與頻梳偏移可調(diào)諧分離。該團(tuán)隊表示：“這大大降低了雙梳狀光譜學(xué)的復(fù)雜性。”這一新興技術(shù)可得到更廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

　　蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院科研團(tuán)隊通過雙折射晶體的相同激光脈沖串，產(chǎn)生了兩個相干的偏移脈沖串，用于產(chǎn)生可以驅(qū)動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(wěn)定

　　在2005年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的頻率梳狀光譜，通過包含數(shù)十萬甚至數(shù)百萬等間隔的銳線激光而產(chǎn)生的光譜作為標(biāo)尺精確測量原子和分子。在雙梳法中，添加第二個頻率梳作為參考，可以顯著提高該方法的掃描速率和光譜分辨率(參見“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，其時域中的脈沖串在頻域中以緊密間隔的光梳出現(xiàn)。

　　然而將雙梳方法實際應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)在于，實驗室中可實現(xiàn)的兩個相互相干的相位穩(wěn)定的脈沖串，卻很難將其單獨自由運行的激光應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中。一些雙梳裝置通過使用實時、計算誤差校正來克服這個難點，以實現(xiàn)雙梳間必需的穩(wěn)定性。

　　另外一種產(chǎn)生兩個相互相干的穩(wěn)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脈沖串共享一個腔，使得梳之間相互相干并且穩(wěn)定，而不受相位鎖定或事后誤差校正的干擾。研究團(tuán)隊現(xiàn)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)形腔以及非線性晶體來產(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(dǎo)的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊，希望驗證它是否可以通過使用光泵浦半導(dǎo)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(yīng)用于大批量生產(chǎn)和更廣泛應(yīng)用。特別地，研究人員設(shè)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)集成到同一個半導(dǎo)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(nèi)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院還放置了另一個元件：雙折射晶體。晶體通過偏振將MIXSEL源分為兩根共線脈沖串;此外，由于兩列脈沖串通過它的光程長度差異，所以安排晶體滿足兩個脈沖列之間的脈沖重復(fù)頻率所需的差值。

　　結(jié)果驗證了兩根共線的光學(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)行實際測量，兩個THz頻率梳被混合以產(chǎn)生單個微波頻率梳;混合信號將兩個光頻梳的寬帶、高分辨率光譜信號編碼為快速可讀、完善的RF數(shù)字信號處理的拍頻。

　　水測試

　　該團(tuán)隊在水蒸氣雙梳光譜實驗中測試了該裝置，使用穩(wěn)定自由運行的激光器，實現(xiàn)了快速、良好的光譜分析結(jié)果。研究表明，添加混合微波梳的簡單誤差校正/穩(wěn)定性進(jìn)一步提高了信噪比特性和穩(wěn)定性，并可以通過調(diào)整雙折射晶體的厚度(因此施加的光程長度差)來調(diào)節(jié)兩梳之間的頻率差。

　　根據(jù)該團(tuán)隊的說法，該系統(tǒng)的一個缺點是MIXSEL生成的頻率梳具有相對有限的帶寬。這意味著分析具有不同共振頻率的分子種類(例如)可能需要不同的MIXSEL激光器。

　　研究人員指出，半導(dǎo)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(tǒng)的中心波長變得相對容易和便宜實現(xiàn)。因此，研究人員認(rèn)為，具有特定工作波長的半導(dǎo)體疊片激光器陣列，可以比單個昂貴可調(diào)Ti：藍(lán)寶石激光器更緊湊和經(jīng)濟(jì)劃算。“我們相信，雙梳MIXSEL方法有可能將雙梳狀光譜從實驗室環(huán)境帶到現(xiàn)場，用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用。”