量子級聯(lián)激光器是一種明亮緊湊的半導(dǎo)體激光器，在中遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域發(fā)光。

封閉環(huán)形腔使它們走上了通向超快脈沖的道路。復(fù)金茲堡朗道方程是連接許多物理領(lǐng)域的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，包括超導(dǎo)性、超流體、非線性光子學(xué)和水波。將一個新的物理系統(tǒng)或問題映射或近似到這個基本方程或它的許多導(dǎo)數(shù)之一，例如非線性薛定諤方程，通常標(biāo)志著理解整個系統(tǒng)的重大進(jìn)展。來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員們在《自然》雜志上報道了關(guān)于量子級聯(lián)激光器（QCL）的重大進(jìn)展。論文鏈接為：https://doi.org/10.1038/s41567-020-0945-2。

QCL利用了半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間的級聯(lián)躍遷。因此，它們可以被電泵浦，從而產(chǎn)生高的平均功率和很長的相干長度，因此已經(jīng)成為各種中紅外應(yīng)用的首選光源。中紅外光譜區(qū)域被稱為“分子指紋區(qū)”，這里有許多有機(jī)基團(tuán)和分子的基本振動躍遷，這就是中紅外光譜在醫(yī)學(xué)診斷和生化分析方面具有巨大潛力的原因，這也推動了激光技術(shù)的進(jìn)步。然而，由于有源半導(dǎo)體介質(zhì)導(dǎo)帶子帶中光聲子和電子之間以散射形式的快速非輻射弛豫而產(chǎn)生的超快增益恢復(fù)時間，使得QCL的脈沖狀態(tài)工作困難。

QCL頻率梳通常采用線性法布里 - 珀羅激光器。空間燒孔通過駐波腔有選擇的使集居數(shù)反轉(zhuǎn)去激發(fā)，迫使他們在頻率調(diào)制模式下操作，其中載頻變化迅速和周期性的往返只有很少的強(qiáng)度變化。研究人員表示，單向環(huán)形QCL輸出的光脈沖不同于法布里 - 珀羅QCL（如圖1）。眾所周知，驅(qū)動耗散非線性系統(tǒng)脫離熱平衡，研究人員報告的環(huán)形QCL可以支持由色散和非線性復(fù)雜的雙平衡以及外部驅(qū)動和耗散產(chǎn)生的穩(wěn)定脈沖解決方案。這種耗散孤子在自然界中普遍存在，在各種有源和無源激光器中都可以觀察到。

圖1 單向環(huán)形量子級聯(lián)激光器原理圖

研究人員們通過推導(dǎo)環(huán)形QCL的運行主方程來支持他們的實驗，該方程包括半導(dǎo)體增益材料的快速振幅和相位力學(xué)。他們通過絕熱消除快載流子動力學(xué)，將單向環(huán)QCL的方程映射到金茲堡朗道方程中。由此得到的數(shù)學(xué)項具有與色散和克爾非線性相似的結(jié)構(gòu)。主方程的數(shù)值解表明，光脈沖是通過相位湍流的中間狀態(tài)從數(shù)值種子噪聲中自發(fā)產(chǎn)生的。相位湍流描述了金茲堡朗道方程的一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，連續(xù)背景下會出現(xiàn)小的混沌振蕩。在環(huán)形QCL的情況下，由于修正色散項和非線性項的相互作用，初始混沌圖案趨于穩(wěn)定，并且每個腔往返出現(xiàn)可變數(shù)量的穩(wěn)定光脈沖。這種行為類似于被動光腔中耗散克爾孤子產(chǎn)生的情況。然而，在標(biāo)志耗散克爾孤子特性的許多顯著特征中，最重要的是窄線寬種子激光器的相干泵浦，它對于低損耗腔具有明確的失調(diào)，以及連續(xù)波和孤子解的雙穩(wěn)性，這不能直接轉(zhuǎn)化環(huán)形QCL，但可以為今后研究環(huán)形QCL的基本相圖提供指導(dǎo)。

閉合環(huán)QCL結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題是如何有效地從腔中提取光輻射。傳統(tǒng)的集成微環(huán)激光器是用破壞旋轉(zhuǎn)對稱性的消逝波導(dǎo)耦合器制造的。這導(dǎo)致了順時針和逆時針空腔模式之間的混合，進(jìn)而導(dǎo)致空腔中出現(xiàn)駐波圖案和空間燒孔現(xiàn)象。研究人員們進(jìn)行了一項巧妙的附加實驗，探索了介于線性法布里 - 珀羅腔和閉合環(huán)之間的方案：通過在環(huán)形波導(dǎo)中部分蝕刻的縫隙，實現(xiàn)對環(huán)中順時針和逆時針模式之間的耦合量的控制，從而控制空間燒孔。研究所人員由此證明合適的反射系數(shù)足以驅(qū)動QCL作為調(diào)頻激光器。此外，該研究結(jié)果還表明環(huán)形QCL中沒有空間燒孔現(xiàn)象，并對輸出耦合器的反射率設(shè)定了1%的上限，該閾值與環(huán)形QCL未來的實際操作相兼容。

幾十年來，半導(dǎo)體激光器的多模不穩(wěn)定性一直困擾著研究人員和工程師，由于他們一直試圖提高緊湊型激光源的相干性。然而，通過理解、利用和控制等多模操作，可以產(chǎn)生如相干的短光脈沖序列等具有激發(fā)特性的新光源。研究人員們提出的新的環(huán)形QCL主方程將推動半導(dǎo)體激光器中孤子波形綜合理論的發(fā)展。