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科学家开发具有两个频率梳对的半导体激光器

导读: 瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家采用一种新方法,从单个集成自由运行的半导体叠片激光器中产生高度稳定的偏移频率梳对。

瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家采用一种新方法,从单个集成自由运行的半导体叠片激光器中产生高度稳定的偏移频率梳对(Science,doi:10.1126 / science.aam7424)。他们在激光腔内使用双折射晶体,可以简单地通过改变晶体厚度来将光束与频梳偏移可调谐分离。该团队表示:“这大大降低了双梳状光谱学的复杂性。”这一新兴技术可得到更广泛的工业应用。

苏黎世联邦理工学院科研团队通过双折射晶体的相同激光脉冲串,产生了两个相干的偏移脉冲串,用于产生可以驱动气体样品的双梳状光谱的一对光学频率梳。使用外差检测在微波域中提取双梳状信号。

寻求稳定

在2005年获得诺贝尔物理学奖的频率梳状光谱,通过包含数十万甚至数百万等间隔的锐线激光而产生的光谱作为标尺精确测量原子和分子。在双梳法中,添加第二个频率梳作为参考,可以显著提高该方法的扫描速率和光谱分辨率(参见“Dual-comb spectroscopy”,OPN,2017年1月)。在这两种情况下,梳状源通常是飞秒级别和模式锁定的激光,其时域中的脉冲串在频域中以紧密间隔的光梳出现。

然而将双梳方法实际应用的巨大挑战在于,实验室中可实现的两个相互相干的相位稳定的脉冲串,却很难将其单独自由运行的激光应用于工业环境中。一些双梳装置通过使用实时、计算误差校正来克服这个难点,以实现双梳间必需的稳定性。

另外一种产生两个相互相干的稳定频率梳的方法是从相同的自由运行的激光中产生双梳。在这种方式中,产生配对频率梳的两个脉冲串共享一个腔,使得梳之间相互相干并且稳定,而不受相位锁定或事后误差校正的干扰。研究团队现已经证明了一些激光器的单激光双梳阵列装置;比如在2016年报道的一项研究中,使用具有反向传播激光模式的环形腔以及非线性晶体来产生偏移脉冲序列(T.Illguchi等人,Optica,doi:10.1364 / OPTICA.3.000748)。

MIXSEL方式

由OSA研究员Ursula Keller领导的苏黎世联邦理工学院团队,希望验证它是否可以通过使用光泵浦半导体叠片激光器获得单激光双梳阵列,这是基于晶片级技术的优势明显且紧凑的平台,因此可以将其应用于大批量生产和更广泛应用。特别地,研究人员设计在锁模集成的外腔表面发射激光器(MIXSEL)上进行归零。在MIXSEL中,可饱和吸收体(用于模式锁定)和增益介质集成到同一个半导体芯片中;该芯片在激光腔的一端形成反射镜,另一端具有输出耦合器。外部二极管激光器泵浦MIXSEL腔。

在MIXSEL腔内,苏黎世联邦理工学院还放置了另一个元件:双折射晶体。晶体通过偏振将MIXSEL源分为两根共线脉冲串;此外,由于两列脉冲串通过它的光程长度差异,所以安排晶体满足两个脉冲列之间的脉冲重复频率所需的差值。

结果验证了两根共线的光学频率梳在光电检测器处干涉。与其他双梳组合一样,使用外差检测进行实际测量,两个THz频率梳被混合以产生单个微波频率梳;混合信号将两个光频梳的宽带、高分辨率光谱信号编码为快速可读、完善的RF数字信号处理的拍频。

水测试

该团队在水蒸气双梳光谱实验中测试了该装置,使用稳定自由运行的激光器,实现了快速、良好的光谱分析结果。研究表明,添加混合微波梳的简单误差校正/稳定性进一步提高了信噪比特性和稳定性,并可以通过调整双折射晶体的厚度(因此施加的光程长度差)来调节两梳之间的频率差。

根据该团队的说法,该系统的一个缺点是MIXSEL生成的频率梳具有相对有限的带宽。这意味着分析具有不同共振频率的分子种类(例如)可能需要不同的MIXSEL激光器。

研究人员指出,半导体行业已经建立的带隙工程技术,让这些基于MIXSEL系统的中心波长变得相对容易和便宜实现。因此,研究人员认为,具有特定工作波长的半导体叠片激光器阵列,可以比单个昂贵可调Ti:蓝宝石激光器更紧凑和经济划算。“我们相信,双梳MIXSEL方法有可能将双梳状光谱从实验室环境带到现场,用于广泛的工业应用。”

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