導讀:量子級聯激光經過不斷的革新，可以產生中紅外波長的激光。然而，在中紅外量子級聯激光中的超快傳輸被認為是形成超短光脈沖所不可克服的障礙。在這里，我們為大家展示了增益介質的仔細的量子設計和控制模間拍同步以促使從量子級聯激光器中的頻率梳中轉換成有限的皮秒脈沖。干涉射頻技術和二階自相關技術闡明了脈沖動力學和證實了鎖模的運行可以從門檻值到翻轉電流來獲得。而且，我們的結果表明反相和同相同步狀態在量子級聯激光器中是存在的。由于是電泵浦且結構緊湊體積小，鎖模量子級聯激光器為單片集成非線性光子在小于 6μm波長區域的分子指紋區鋪平了道路。
圖1 自由空間外環空腔量子級聯激光器的光學設置圖
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,量子級聯激光器（ quantum cascade laser）
超短脈沖激光的發現導致了許多科學與技術的重大突破，包括頻率梳，高速光通信和眼科屈光手術等。現如今，光脈沖的常規生成是在鎖模激光中的可見光范圍或近紅外波長范圍。在當今，大量的工作瞄準在中紅外區域的超快激光科學上并取得了比較相似的成熟度。由于缺乏適宜的增益介質，在波長超過5μm的分子指紋區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換。現有的技術，如光參量振蕩器（ optical parametric oscillators）或差頻產生（difference frequency generation），要么需要復雜的具有桌面尺寸的光學裝置或被限制在mW級別的輸出功率上。
圖2 鎖模雙功能量子級聯激光器 （Quantum cascade lasers (QCL)）
比較成熟的量子級聯激光器（Quantum cascade lasers (QCL) ）開始占據主流的是中紅外激光。當只有微芯片尺寸大小和采用電泵浦的時候，他們能夠產生平均功率為W級水平的功率。活動區的量子工程使得通過整個中外紅區域的光譜中定制發射的波長成為可能。因此，利用高性能的量子級聯激光技術生成中紅外的脈沖代表了超快激光科學中長期尋求突破的里程碑。鎖模量子級聯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譜產生，為寬帶和高亮度的頻率梳的產生鋪平了道路。因此，在中紅外量子級聯激光器中的主動區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。中紅外量子級聯激光器的壽命上限狀態和增益恢復時間均在皮秒到亞皮秒的時間范圍內，這遠遠的比空腔往返時間要短。因此，中紅外量子級聯激光器對準連續強度的波形形成，而不是短的脈沖。注意到在THz量子級聯激光器中，其增益恢復時間在 5ps 到 50ps ，主動鎖模脈沖被多個工作給予了報道，其脈沖持續時間小于4 ps。
圖3 從 8μm波長的量子級聯激光器中產生的鎖模脈沖
直到今天，唯一取得成功的一體化中紅外量子級聯激光器（Quantum cascade lasers (QCL) ）鎖模是采用一個特殊設計的具有強烈增強的激光躍遷的壽命上限狀態的主動區而實現的。然而，所必須的設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，限制了該技術的實用性。最近，在外環腔中的主動鎖模的量子級聯激光器被人給予了報道。這一技術使得空間燒孔的不利效應得到了減輕并使得通過調制整個量子級聯激光的一個大量的調制深度大為拓展，而不再僅僅局限于一個小的區間。當鎖模運行在室溫下被觀察到的時候，其平均功率限制在3mW，其脈沖持續時間為超過70ps，據估計其峰值功率低于0.5W。
圖4 在強調制下的同 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。通過電調制腔內損失來實現鎖模，利用一個原本用于有效的射頻注射的短調制界面來實現的，見圖2（a）。兩個不同的用干涉儀測量的技術用來證實鎖模的運行可以在整個激光范圍內獲得。此外，我們還展示了反相和同相同步狀態下可以通過變化調制頻率來激發。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，結果表明他們的幅度可以在鎖模區域內提高至少2個數量級。
這一研究成果發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
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