激光技术：红外激光脉冲新戏法

该红外激光难生产，特别是当激光辐射需要以极短的、强烈的脉冲形式存在时。很长一段时间，科学家一直在寻找能产生这种红外激光脉冲的简单方法，而维也纳工业大学同哈佛大学实现了。新技术不需要大的实验装置，且很容易小型化，所以在实际应用中非常有趣。

来源︱维也纳工业大学

编译︱苏岚

应用于激光笔中的普通固态激光器是在可见光范围内产生光线。然后，在如分子检测等许多应用中，则需要中红外范围内的辐射。该红外激光更难生产，特别是当激光辐射需要以极短的、强烈的脉冲形式存在时。

很长一段时间，科学家一直在寻找能产生这种红外激光脉冲的简单方法，而维也纳工业大学同哈佛大学实现了。新技术不需要大的实验装置，且很容易小型化，所以在实际应用中非常有趣。新研究成果现已在《自然通讯》杂志上刊登。

频率梳

维也纳工业大学固态电子学院也是论文第一作者的约翰内斯·希尔布兰德表示：“我们使用在维也纳工业大学超现代纳米中心特制的量子级联激光器，在中红外范围内产生激光。” 在普通固态激光器中，发射光的类型取决于材料中的原子，而在量子级联激光器中，纳米范围内的微小结构至关重要。通过准确设计这些结构可以精确调节光的波长。

飞秒激光光学频率梳的概述图

助力教授贝尼迪克·施瓦兹，他也在其受欧洲科学研究委员会(ERC)资助项目中主导研究工作，表示：“我们的量子级联激光器不是只提供单色光，而是整个范围内不同频率的光都能提供。这些频率规律排列，两者之间总是保持相同距离，就像梳子上的梳齿。所以，这样的频谱被称为频率梳。”

光像一个钟摆

然而，不仅是量子级联激光器发射的频率具有决定性意义，各个光波振荡的相位也至关重要。约翰内斯·希尔布兰德表示：“你可以将之比作两个钟摆，由一根橡皮筋连接。它们可以来回摆动，或完全平行，或是处于相反方向，所以它们互相之间要么摆近要么摆远。这两个振荡形式的频率略有不同。”

它与由不同波长组成的激光非常相似。频率梳的单个光波可以精准地同步振荡，然后它们以最佳方式相互叠加，从而产生短而强烈的激光脉冲。或者它们在振荡时产生偏移，在此情况下，不会产生脉冲，但会产生几乎连续强度的激光。

光调制器

约翰内斯·希尔布兰德表示：“在量子级联激光器中，一开始很难在这两个变体下来回转换。后来，我们在量子级联激光器中加入了一个微小的调制器，使光波能不断传播。”在这个调制器上施加交流电压。根据电压的频率和强度，激光器可以激发不同的光振荡。

贝尼迪克·施瓦兹表示：“如果将调制器设置在准确的频率，可以实现频率梳的不同频率都能完全同步振荡。这使得将这些频率组合成短而强的激光脉冲称为可能，每秒可超过120亿次。”

这种对短红外激光脉冲的控制水平在以前的半导体激光器中是无法实现的。类似类型的光最多只能采用非常昂贵且有损的方法产生。“我们的技术拥有决定性优势，即可以小型化，” 贝尼迪克·施瓦兹强调说，“它可以被用来制作紧凑型测量工具，例如，用这些特殊激光束在气体样本中寻找非常特殊的分子。由于激光脉冲的高光强度，同时需要两个光子的测量也是可能的。”

文章由易车号作者提供