在很长的一段时期内，科学家们一直在寻找一种简单的方法来制造红外脉冲的激光，目前，这一目标在维也纳技术大学（Vienna University of Technology）得以实现，他们同哈佛大学的研究人员开展合作研究实现了这一目标。这一新技术不再需要比较苯大的设备设施，它可以以比较小型化和尤其比较适合应用于实践中应用的特定场合。这一最新研究成果发表在近期出版的Nature子刊《Nature Communications》上。

量子级联激光器（Quantum cascade lasers (QCL)）在产生中红外激光方面具有革命性的变化。然而，超快的携带传输在中红外的量子级联激光器到目前位置还认为在形成超短脉冲信息时还存在明显的障碍。在这里，我们为大家展示了一个增益介质的仔细的量子设计和控制模间拍同步以促使从量子级联激光器的频率梳中传输有限的皮秒脉冲。干涉射频技术和二阶自相关均可以阐明脉冲动力学和证实锁模操作可以在门槛值到翻转电流均可以实现。而且，我们的研究显示，反相和同相同步的状态均可以在量子级联激光器中存在。同时具有电泵浦和结构紧凑，锁模的量子激光器，为单片集成非线性光子学在分子指印区域超过6μm波长的范围进行测量铺平了道路。

通常的固态激光，如用放映ppt所使用的激光笔，其产生的激光属于可见光的波段。对于许多应用场合，然而，例如在探测分子的场合，就需要发射中红外波长范围的光来进行探测。这一波段的红外激光在制造的时候非常不容易，尤其是在激光的发射需要极端短且强度比较高的脉冲的时候更是如此。

用于锁模的量子级联激光器（quantum cascade lasers）的双功能

频率梳

我们所产生的激光波长位于中红外的范围，且属于定制的量子级联激光器，这一激光器是在维也纳技术大学超现代的纳米中心完成的。 Johannes Hillbrand说到，他是维也纳技术大学固态电子研究所的研究人员，该论文的第一作者。当在通常的固态激光器中，其发射的激光类型通常取决于材料，对于量子级联激光器来说，则取决于纳米尺度范围内的微小的结构。通过适当的设计这些结构，其发射的激光波长则可以被精确的进行调节。

我们的量子级联激光器并不仅仅是一个单色的激光，同时还具有在几乎所有的不同的频率范围内可以进行调节的功能， Benedikt Schwarz副教授说到，它领导着这一研究。这些频率可以非常均匀规律的进行调节，其频率调节的时候同两者之间的距离几乎相等，如同一个梳子一样。因此，这一频率被称之为频率梳。

激光就像一个钟摆

然而，这一量子级联激光器发射的频率不仅是非常关键的，同时各自的光波振荡的相位也是非常重要的。你可以将这一现象同时用一个橡皮筋将两个钟摆连接在一起的情况进行比较，Johannes Hillbrand解释说，他们可以来回摆动，要么完全是平行的，或者是相对的，因此他们要么来回摆动，要么两者互相分离。并且两个振动模型存在稍有不同的频率。

这同激光也非常相似，激光是由不同波长的光所组成的。不同的单个的频率梳的波长可以完全在同步的状态下实现振动，于是他们可以在一个优化的方式上进行使(图像甲)叠映在(图像乙)上和可以产生短的，强烈的激光脉冲。或者此时他们可以在他们的震荡时进行偏移，此时就没有脉冲产生，但激光却处于一个几乎为连续的强度的状态。

光调制器

在量子级联激光器中，在早先的时候时很难在两个不同的变量之间来回切换的，Johannes Hillbrand说到。然而，我们构建了一个微小型的光调制器放置于量子级联激光器中，此时光波不断的穿过它。一个交流的电压施加在这一光调制器上。取决于电压的频率和电压的强度，不同的光震荡就可以在激光中被激发出来。

如果你在完全正确的频率来驱动这个调制器的话，你就可以获得我们频率梳的不同频率，均可以确实的进行同步振荡，Benedikt Schwarz说到，这就使得有可能将这些频率整合成一个短的，强度高的激光脉冲中，远远超过每秒120亿次。

T控制这一短的红外激光脉冲的水平在以前采用半导体激光几乎是不可能的。相似的光只能在使用非常昂贵和有损耗的办法才能实现。目前我们的技术一个最突出的优势就是可以实现小型化， Benedikt Schwarz强调说。我们可以使用它来制造出结构紧凑的测量仪器，例如，来使用这些特殊的激光束来搜索气体样品中特定的分子。得益于这一激光脉冲的高的激光强度，测量需要在同时进行双光子就行测量的时候也是可能实现的。

More information:Johannes Hillbrand et al. Mode-locked short pulses from an 8 μm wavelength semiconductor laser, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19592-1