近日據(jù)外媒報道，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院與維也納工業(yè)大學的研究人員聯(lián)合開發(fā)出一種新型可調(diào)諧半導體激光器。這種采用簡單芯片級設計的激光器展現(xiàn)出平滑、可靠且寬范圍的波長調(diào)諧性能。

可調(diào)諧激光器是高速通信、醫(yī)療診斷、天然氣管道安檢等諸多技術(shù)的關(guān)鍵組件。但現(xiàn)有激光技術(shù)往往面臨諸多權(quán)衡取舍——例如寬波長范圍發(fā)射的激光器會犧牲單色性精度，且通常依賴含機械運動部件的復雜昂貴設計。這項新發(fā)明有望“以更小巧、更具成本效益的封裝形式，替代多種現(xiàn)有可調(diào)諧激光器”。

相關(guān)研究已發(fā)表于《光學》期刊。項目由哈佛大學的羅伯特·華萊士應用物理學教授、電子工程Vinton Hayes高級研究員Federico Capasso，與維也納大學的Benedikt Schwarz教授共同領導。

藝術(shù)家繪制的新型可調(diào)諧環(huán)形激光器示意圖

更具商業(yè)價值的波長
研究團隊最初展示的是中紅外波段激光器，因其架構(gòu)基于典型工作在該波段的量子級聯(lián)激光器。“新平臺的通用性意味著可采用相同工藝制造更具商業(yè)價值的波長激光器，”1994年量子級聯(lián)激光器共同發(fā)明人Capasso表示，“包括通信波段、醫(yī)療診斷波段乃至可見光波段的各類應用。”

該激光器由多個尺寸各異的微型環(huán)形激光器組成，所有環(huán)形腔通過同一波導相連。每個環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)射不同波長，通過調(diào)節(jié)電流輸入即可實現(xiàn)波長平滑切換。其精巧的緊湊設計確保單波長穩(wěn)定輸出，即便在惡劣環(huán)境下仍能保持性能，且具備良好擴展性。環(huán)形結(jié)構(gòu)既可單獨工作，亦可協(xié)同增強光束強度。

“通過調(diào)整環(huán)尺寸，我們能精確鎖定任意目標譜線及激射頻率，”論文共同第一作者、哈佛Capasso實驗室MIT聯(lián)合培養(yǎng)研究生Theodore Letsou解釋道，“所有激光通過同一波導耦合形成統(tǒng)一光束，這既擴展了半導體激光器的調(diào)諧范圍，又可通過不同環(huán)半徑精準鎖定特定波長。”

“新研制的激光器最大優(yōu)勢在于制備工藝的簡易性，”維也納大學博士生、共同第一作者Johannes Fuchsberger補充道，“完全無機械運動部件，采用學校微納結(jié)構(gòu)中心超凈間標準工藝即可實現(xiàn)小型化制備。”

這種環(huán)形激光器有望取代現(xiàn)有各類各具優(yōu)劣的可調(diào)諧半導體激光器。例如分布反饋激光器雖能產(chǎn)生平滑精確光束（常用于通信光纖長距離光信號傳輸），但其調(diào)諧范圍狹窄；而外腔激光器雖具寬調(diào)諧優(yōu)勢，卻因含運動部件導致譜線跳變，目前主要用于檢測甲烷/二氧化碳等特征吸收波長的管道氣體泄漏傳感器。