研究人员实现有关量子级联激光器重大进展,助力激光技术一大重要进步

分享到:

与非网 7 月 15 日讯,来自洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员们在《自然》杂志上报道了关于量子级联激光器(QCL)的重大进展。 
 
量子级联激光器(Quantum Cascade Laser)是一种能够发射光谱在中红外和远红外频段激光的半导体激光器。它是由贝尔实验室于 1994 年率先实现。 
 
据了解,封闭环形腔使它们走上了通向超快脉冲的道路。复金兹堡朗道方程是连接许多物理领域的数学基础,包括超导性、超流体、非线性光子学和水波。将一个新的物理系统或问题映射或近似到这个基本方程或它的许多导数之一,例如非线性薛定谔方程,通常标志着理解整个系统的重大进展。 
 
QCL 利用了半导体量子阱中导带子带间的级联跃迁。因此,它们可以被电泵浦,从而产生高的平均功率和很长的相干长度,因此已经成为各种中红外应用的首选光源。中红外光谱区域被称为“分子指纹区”,这里有许多有机基团和分子的基本振动跃迁,这就是中红外光谱在医学诊断和生化分析方面具有巨大潜力的原因,这也推动了激光技术的进步。 
 
众所周知,驱动耗散非线性系统脱离热平衡,研究人员报告的环形 QCL 可以支持由色散和非线性复杂的双平衡以及外部驱动和耗散产生的稳定脉冲解决方案。这种耗散孤子在自然界中普遍存在,在各种有源和无源激光器中都可以观察到。
0-1
 
单向环形量子级联激光器原理图 
 
研究人员们通过推导环形 QCL 的运行主方程来支持他们的实验,该方程包括半导体增益材料的快速振幅和相位力学。他们通过绝热消除快载流子动力学,将单向环 QCL 的方程映射到金兹堡朗道方程中。由此得到的数学项具有与色散和克尔非线性相似的结构。主方程的数值解表明,光脉冲是通过相位湍流的中间状态从数值种子噪声中自发产生的。相位湍流描述了金兹堡朗道方程的一种状态,在这种状态下,连续背景下会出现小的混沌振荡。在环形 QCL 的情况下,由于修正色散项和非线性项的相互作用,初始混沌图案趋于稳定,并且每个腔往返出现可变数量的稳定光脉冲。这种行为类似于被动光腔中耗散克尔孤子产生的情况。 
 
闭合环 QCL 结构的关键问题是如何有效地从腔中提取光辐射。传统的集成微环激光器是用破坏旋转对称性的消逝波导耦合器制造的。这导致了顺时针和逆时针空腔模式之间的混合,进而导致空腔中出现驻波图案和空间烧孔现象。研究人员们进行了一项巧妙的附加实验,探索了介于线性法布里 - 珀罗腔和闭合环之间的方案:通过在环形波导中部分蚀刻的缝隙,实现对环中顺时针和逆时针模式之间的耦合量的控制,从而控制空间烧孔。研究所人员由此证明合适的反射系数足以驱动 QCL 作为调频激光器。此外,该研究结果还表明环形 QCL 中没有空间烧孔现象,并对输出耦合器的反射率设定了 1%的上限,该阈值与环形 QCL 未来的实际操作相兼容。 
 
几十年来,半导体激光器的多模不稳定性一直困扰着研究人员和工程师,由于他们一直试图提高紧凑型激光源的相干性。然而,通过理解、利用和控制等多模操作,可以产生如相干的短光脉冲序列等具有激发特性的新光源。研究人员们提出的新的环形 QCL 主方程将推动半导体激光器中孤子波形综合理论的发展。
 
随着量子级联激光器技术的日趋成熟,它开始被较多地应用于科学和工程研究。由于其显著优势,在气体检测领域得到了迅速推广。基于量子级联激光器的红外光谱气体检测技术具有灵敏度高、检测速度快等优点,特别是在高精度光谱检测方面所具有的显著优势,使其成为目前研究和应用的热点。
继续阅读
研究人员实现有关量子级联激光器重大进展,助力激光技术一大重要进步

与非网 7 月 15 日讯,来自洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员们在《自然》杂志上报道了关于量子级联激光器(QCL)的重大进展。

NASA测试激光深空通信:将用于火星载人飞行

据国外媒体报道,美国宇航局目前正在测试深空通信技术,利用激光技术将信号快速传达到深空飞船上。科学家认为深空通信最大的问题在于时间延迟,在近地轨道上,延迟几乎不会被察觉到,但如果前往火星,那么宇航员的指令和信息传递就会出现半个小时的往返延迟,地面控制中心与深空飞船之间的沟通无法得到保持。研究人员正在评估延迟对深空任务的影响,比如宇航员长时间在火星上生活,信号的延迟可能导致工作效率和心理方面受到干扰。