导读:量子级联激光经过不断的革新，可以产生中红外波长的激光。然而，在中红外量子级联激光中的超快传输被认为是形成超短光脉冲所不可克服的障碍。在这里，我们为大家展示了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中的频率梳中转换成有限的皮秒脉冲。干涉射频技术和二阶自相关技术阐明了脉冲动力学和证实了锁模的运行可以从门槛值到翻转电流来获得。而且，我们的结果表明反相和同相同步状态在量子级联激光器中是存在的。由于是电泵浦且结构紧凑体积小，锁模量子级联激光器为单片集成非线性光子在小于 6μm波长区域的分子指纹区铺平了道路。

图1 自由空间外环空腔量子级联激光器的光学设置图

图解：BS, 偏振分光镜(beam splitter）; CCW, 逆时针方向（counter clockwise direction）; CW, 顺时针方向（clockwise direction）; DG,衍射光栅（ diffraction grating）; L, 激光透镜（Laspheric lenses); M, 镜片（mirrors）; MCT, 探头，detector; QCL,量子级联激光器（ quantum cascade laser）

超短脉冲激光的发现导致了许多科学与技术的重大突破，包括频率梳，高速光通信和眼科屈光手术等。现如今，光脉冲的常规生成是在锁模激光中的可见光范围或近红外波长范围。在当今，大量的工作瞄准在中红外区域的超快激光科学上并取得了比较相似的成熟度。由于缺乏适宜的增益介质，在波长超过5μm的分子指纹区所生成的脉冲到目前为止主要依靠近红外脉冲非线性的能量下转换。现有的技术，如光参量振荡器（ optical parametric oscillators）或差频产生（difference frequency generation），要么需要复杂的具有桌面尺寸的光学装置或被限制在mW级别的输出功率上。

图2 锁模双功能量子级联激光器 （Quantum cascade lasers (QCL)）

比较成熟的量子级联激光器（Quantum cascade lasers (QCL) ）开始占据主流的是中红外激光。当只有微芯片尺寸大小和采用电泵浦的时候，他们能够产生平均功率为W级水平的功率。活动区的量子工程使得通过整个中外红区域的光谱中定制发射的波长成为可能。因此，利用高性能的量子级联激光技术生成中红外的脉冲代表了超快激光科学中长期寻求突破的里程碑。锁模量子级联激光器可以作为一体化的泵浦激光用作微谐振器和共振超连续谱产生，为宽带和高亮度的频率梳的产生铺平了道路。因此，在中红外量子级联激光器中的主动区的亚皮秒载流子输送则成了形成短的光脉冲的一个似乎无法逾越的障碍。中红外量子级联激光器的寿命上限状态和增益恢复时间均在皮秒到亚皮秒的时间范围内，这远远的比空腔往返时间要短。因此，中红外量子级联激光器对准连续强度的波形形成，而不是短的脉冲。注意到在THz量子级联激光器中，其增益恢复时间在 5ps 到 50ps ，主动锁模脉冲被多个工作给予了报道，其脉冲持续时间小于4 ps。

图3 从 8μm波长的量子级联激光器中产生的锁模脉冲

直到今天，唯一取得成功的一体化中红外量子级联激光器（Quantum cascade lasers (QCL) ）锁模是采用一个特殊设计的具有强烈增强的激光跃迁的寿命上限状态的主动区而实现的。然而，所必须的设计改变限制了锁模运行在低温的条件下和功率低于10mW，因此，限制了该技术的实用性。最近，在外环腔中的主动锁模的量子级联激光器被人给予了报道。这一技术使得空间烧孔的不利效应得到了减轻并使得通过调制整个量子级联激光的一个大量的调制深度大为拓展，而不再仅仅局限于一个小的区间。当锁模运行在室温下被观察到的时候，其平均功率限制在3mW，其脉冲持续时间为超过70ps，据估计其峰值功率低于0.5W。

图4 在强调制下的同 步性

在本文中，来自奥地利的研究人员为大家展示了一个在高性能和一体化的8μm波长的量子级联激光器中在室温的条件下生成皮秒脉冲的实验，并从实验角度和模拟角度进行了研究。通过电调制腔内损失来实现锁模，利用一个原本用于有效的射频注射的短调制界面来实现的，见图2（a）。两个不同的用干涉仪测量的技术用来证实锁模的运行可以在整个激光范围内获得。此外，我们还展示了反相和同相同步状态下可以通过变化调制频率来激发。最后，高速光探测一体化集成在激光芯片上，我们并测量了激光拍音的前三个谐波，结果表明他们的幅度可以在锁模区域内提高至少2个数量级。

这一研究成果发表在近日出版的顶刊《Nature Communications 》上。

文章来源：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

参考文献：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