红外激光稳频

稳定到中红外光学频率梳（Mid-IR Comb）上的连续（CW）量子级联激光器（QCL）

巴黎高等师范学院物理实验室的研究人员在Menlo Systems频率梳的帮助下优化了量子级联激光器。这项工作是未来将量子级联激光器用作中红外频率梳的重要组成部分。

即使在所有激光器中，量子级联激光器（quantum cascade lasers, QCL）也算比较特殊的。这是因为，没有多少激光介质能够发射3到20微米（µm）之间的相干光，而量子级联激光器精确地工作在中红外波长范围内。QCL是一种特殊类型的半导体激光器，由于其广泛的应用和独特的性能，近年来它们越来越受欢迎。问题是，这些系统仍然没有人们希望的那么稳定。Baptiste Chomet博士和Djamal Gacemi博士及其来自巴黎高师物理实验室Carlo Sirtori团队的同事，以及巴黎激光物理实验室的Olivier Lopez和Benoit Darquié博士，现在已经解决了这一问题。他们构建了一种比传统系统更稳定的QCL，从而朝着完全稳定的QCL频率梳系统迈出了重要的一步。研究人员使用Menlo Systems的频率梳作为光学参考。

这是20世纪90年代半导体技术的一场小革命：量子级联激光器。它通过所谓的“量子阱”中的量子机械隧穿和电子级联产生光。量子阱是电子被捕获在其中的薄半导体层。QCL由一系列量子阱组成，这些量子阱被设计成形成周期势，量子势将量子阱相互分离。当势垒两侧的电子能级相同时，电子可以隧穿这些势垒。使用这种隧穿过程，可以增加激光跃迁上能级态的电子布居，形成光学增益，并最终导致激光发射。发射光的波长可以通过对量子阱和势垒有针对性的设计来精确控制。因此，量子级联激光器提供了中红外（mid-IR）光谱范围（3 µm–20 µm）。其他类型的激光器无法有效覆盖这些波长范围。QCL的特点是可精细调节的窄带光谱和高达几瓦的连续光输出功率。它的问题是，容易受到频率和相位波动的影响，因此还不是非常稳定。

Baptiste Chomet博士、Djamal Gacemi博士和他们在巴黎高等师范学院Carlo Sirtori团队的同事，以及巴黎激光物理实验室的Olivier Lopez和Benoit Darquié博士，现在已经在这方面进行了研究。

Baptiste Chomet和他的同事在他们的文章“8.1 µm量子级联激光器与交钥匙中红外频率梳的高度相干锁相”中展示了将连续Fabry-Pérot量子级联激光器锁定至Menlo Systems的低噪声中红外光学频率梳Mid-IR Comb。8.1μm QCL锁定到中红外频率梳

该频率梳覆盖7.4 µm至9.4 µm的光谱窗口，这种相干相位锁定可以将参考光梳的稳定度转移到QCL。首先，QCL和Menlo Mid-IR Comb在光电探测器上拍频，并测量两者之间的相位差，基于该相位差，将校正信号施加到QCL的驱动电流上，以使其更加稳定，最终的目标是达到与Menlo频率梳相当的稳定度水平。

在空气中测量的Menlo中红外光学频率梳Mid-IR Comb 5-8-14的光谱，显示出了大气气体的吸收线

通常，频率梳被用于以极高的精度测量光学频率，即光的振荡。这就是为什么频率梳也被称为光的“标尺”。这项获得诺贝尔奖的技术在宽波长范围内表现得极其可靠，并能够在基于激光的高精度应用中确保无与伦比的稳定度。

通过将频率梳的稳定度转移到QCL，研究人员现在可以将频率梳用作超精确的参考。他们成功地将QCL激光器的线宽降低了两个数量级以上，在一毫秒 (1 ms) 的观测时间内达到了亚千赫兹 (<1 kHz)。频率梳的线宽越窄，可以越精确地传递稳定度。这类似于时钟：一个时间单位内的振荡次数能够被分得越精细，时钟就越准确。

Djamal Gacemi解释道：“我们的实验是朝着开发计量用QCL和完全稳定的QCL频率梳迈出的重要一步。它为中红外光谱范围内的精密测量和频率计量开辟了新的视角。”

近年来，量子级联激光器技术取得了长足的进步，量子结构的优化使得提高激光器的效率和扩展其波长成为可能。这为QCL的许多工业和科学应用打开了大门：在光谱学中，QCL可以根据红外吸收来识别和量化化合物；在自由空间通信中，它们可以用作数据传输的高速光源；在医学上，QCL可以用于可视化组织和诊断；在环境科学中，它们被用作传感器来测量大气中污染物和气体的浓度。

Djamal Gacemi确信：“这些应用只是量子级联激光器所能实现的一小部分。下一步，如果将Menlo光梳锁定在一个通过远端光纤传输的近红外超稳激光器上，而该超稳激光器再参考到主频率标准，将使QCL的分辨率达到更高的水平，这会为具有基本意义的超精密中红外测量开辟新的前景。”

“这一领域的研究正在不断发展。”来自巴黎的激光物理学家们说，而他们的最新实验也正如此。他们的结果有望使得在中红外范围内进行更可靠的精密测量和频率计量。

特邀作者：Thorsten Naeser

DOI: https://doi.org/10.1063/5.0152013