科學家開發(fā)具有兩個頻率梳對的半導體激光器

　　瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的科學家采用一種新方法，從單個集成自由運行的半導體疊片激光器中產(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諧分離。該團隊表示：“這大大降低了雙梳狀光譜學的復雜性。”這一新興技術可得到更廣泛的工業(yè)應用。

　　蘇黎世聯(lián)邦理工學院科研團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)生可以驅動氣體樣品的雙梳狀光譜的一對光學頻率梳。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領導的蘇黎世聯(lián)邦理工學院團隊，希望驗證它是否可以通過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)上進行歸零。在MIXSEL中，可飽和吸收體(用于模式鎖定)和增益介質集成到同一個半導體芯片中;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(nèi)，蘇黎世聯(lián)邦理工學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頻率所需的差值。

　　結果驗證了兩根共線的光學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、良好的光譜分析結果。研究表明，添加混合微波梳的簡單誤差校正/穩(wěn)定性進一步提高了信噪比特性和穩(wěn)定性，并可以通過調整雙折射晶體的厚度(因此施加的光程長度差)來調節(jié)兩梳之間的頻率差。

　　根據(jù)該團隊的說法，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，半導體行業(yè)已經(jīng)建立的帶隙工程技術，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，研究人員認為，具有特定工作波長的半導體疊片激光器陣列，可以比單個昂貴可調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驗室環(huán)境帶到現(xiàn)場，用于廣泛的工業(yè)應用。”