激光法使中红外脉冲更具有实用性

维也纳，2020年11月24日——维也纳理工大学与哈佛大学合作的研究成果，已经导致了一种提高中红外脉冲激光的实用性和可用性的激光方法的发展。能够产生短而强脉冲的红外激光器在分子探测等应用中是理想的，尽管它们在历史上一直难以制造。新方法不需要大的实验设置，可以很容易地小型化。

从左起为Gottfried Strasser, Benedikt Schwarz, Johannes Hillbrand和Nikola Opacak。研究人员首先使用特制的量子级联激光器(QCLs)在中红外范围产生激光，

维也纳工业大学固态电子研究所的约翰内斯·希尔布兰德(Johannes Hillbrand)说，该技术是在图维恩的纳米中心制造的。普通激光器的特定波长取决于组成材料的原子。然而，在QCLs中，纳米范围内的微小结构可以被设计和操纵以调整光的波长。

“我们的量子级联激光器不只是提供单一颜色的光，而是提供一系列不同频率的光，”领导这项研究工作的维也纳理工大学助理教授Benedikt Schwarz说。“这些频率排列得很有规律，它们之间的距离总是一样的，就像梳子的齿一样。因此，这样的频谱称为频率梳。

频率不是唯一的决定因素。阶段也是一个考虑因素。“你可以把它比作两个由橡皮筋连接的钟摆，”Hillbrand说。“它们可以前后摆动，完全平行，也可以相反，所以它们可以向对方摆动，也可以远离对方摆动。这两种振动模式的频率略有不同。”

在激光中，频率梳的单个光波可以同步振荡，然后相互叠加，产生短而强的激光脉冲。它们的振荡也可以交错，这样就产生了几乎连续强度的光，而不是脉冲。“在量子级联激光器中，以前很难在这两种激光器之间来回切换，”Hillbrand说。“然而，我们在量子级联激光器中建立了一个微小的调制器，光波可以一次又一次地通过它。”

在新系统中，调制器上加了一个交流电电压。根据电压的频率和强度，可以激发不同的光振荡。

施瓦茨说:“如果你以正确的频率驱动这个调制器，你就可以实现我们的频率梳的不同频率完全同步振荡。”“这使得将这些频率组合成短而强的激光脉冲成为可能——每秒超过120亿次。” 施瓦茨强调，这项技术还有另外的优势，因为它可以被小型化。

他说:“人们可以用它来建造紧凑的测量仪器，用这些特殊的激光束来寻找气体样本中的特定分子。”“由于激光脉冲的高光强，同时需要两个光子的测量也成为可能。”

这项研究发表在《自然通讯》(www.doi.org/10.1038/s41467-02019592-1)上。