新型激光器助推醫學成像技術

    美國哈佛大學物理學家團隊日前首次展示了一種集成在芯片上的皮秒級中紅外激光脈衝發生器，無需外部元件即可運行，可在數小時內穩定產生覆蓋關鍵氣體吸收帶的光譜。這種新型激光器有望加速高靈敏度、寬光譜氣體感測器的研發，為環境監測提供更高效的檢測工具，還可為醫學成像領域帶來新型光譜分析技術。

    這種激光器的基礎是二十世紀九十年代開創的量子級聯技術。研究團隊表示，量子級聯激光器是半導體激光理論革新的產物，它極大地擴展了半導體激光器激射範圍。在量子級聯激光器發明之前，傳統半導體激光器其發射波長主要在可見光和近紅外波段，而量子級聯激光器則將發光範圍拓展到了中遠紅外以及太赫茲波段，使其在氣體檢測、空間通訊、紅外對抗、太赫茲成像等方面得到越來越多的應用。同時，量子級聯激光器還具有高單色性、高相干性、高方向性、高亮度、長壽命等優勢。

    研究團隊指出，量子級聯激光器通過將不同的納米結構半導體材料層疊在一起，產生相干的中紅外光束。與數十年來一直依賴鎖模技術來產生脈衝的其他半導體激光器不同，量子級聯激光器由於其固有的超快動力學特性，產生脈衝一直非常困難。現有的基於量子級聯激光器的中紅外脈衝發生器，通常需要複雜的設置才能實現脈衝發射，並且需要許多分立的硬件組件。它們通常還受到特定輸出功率和光譜頻寬的限制。

    此次，在設計芯片架構時，研究人員從克爾微諧振器的光調製設備中獲得靈感，融合非線性光子學概念，在單芯片上無縫集成了環形諧振器、激光源和濾波器，通過孤子脈衝自激發機制，製造出無需外部組件的皮秒級光脈衝輸出。

    實驗表明，新型激光器能在中紅外波段產生稱為光學頻率梳的精密光譜。光學頻率梳是一種由等間距頻率線（如同梳齒）組成的光譜，這種光譜結構目前已被廣泛應用於高精度測量領域。研究團隊指出，這一成果是以前未能實現的。更重要的是，此類設備可利用標準半導體製造工藝在工業激光代工廠中實現規模化生產。新型中紅外激光器可連續穩定工作數小時，更重要的是能夠利用現有工業制程量產，這將極大加速其廣泛應用。

    多    姿