摘要：聚焦的类激光，能够覆盖宽广的频率范围，对于许多科学研究和应用来说都至关重要，例如半导体电子芯片制造的质量控制。然而，除了笨重且耗能的桌面设备外，创造如此宽带且相干的光一直非常困难。

加州理工学院

聚焦的类激光，能够覆盖宽广的频率范围，对于许多科学研究和应用来说都至关重要，例如半导体电子芯片制造的质量控制。然而，除了笨重且耗能的桌面设备外，创造如此宽带且相干的光一直非常困难。

如今，由加州理工学院电气工程与应用物理学教授阿里雷扎·马兰迪（Alireza Marandi）领导的团队，在一块微芯片上，成功研发出一种微型装置，能够以超高的效率产生异常宽广的激光频率范围。该项研究成果在通信、成像以及光谱学等领域都具有巨大潜力，在这些领域，激光将有助于在各种环境下探测原子和分子。

研究人员在《自然光子学》杂志上发表的一篇论文中描述了这种新型纳米光子器件和方法。论文《超低阈值纳米光子参量振荡器的多倍频梳》的主要作者是Ryoto Sekine博士，他在Marandi实验室读研究生期间完成了这项工作。

“我们展示的是，仅需一个纳米光子器件和飞焦耳级的低输入能量，就能覆盖从可见光波长到中红外光的广阔电磁波谱范围。这是前所未有的。”马兰迪说道。

加州理工学院的这台设备采用了一种自1965年以来就已存在的技术：光参量振荡器（OPO）。本质上，OPO是一种谐振器，一种微型光阱，它以输入频率接收入射激光，并使用一种特殊的非线性晶体（这里是铌酸锂），经过精心设计，可以产生不同频率的光。

一般来说，OPO 从一个频率范围较窄的激光源开始，产生不同频率的输出，但输出频率仍然在一个较窄的范围内。通常，它们被用作具有广泛可调谐（或可调）输出频率的类激光源。

一把轻梳子

然而，在这项研究中，Marandi 和他的同事们在芯片上对纳米级的 OPO 进行了设计，使其能够产生所谓的频率梳，即在很宽的频率范围内以极低的输入能量产生均匀分布的类似激光的光谱。频率梳覆盖了令人惊讶的宽光谱范围，从我们肉眼可见的可见光一直到更长的中红外波长，都能提供清晰稳定的谱线。

两位科学家因其在频率梳技术方面的贡献而共同获得了2005年诺贝尔物理学奖。与发射单一颜色光的传统激光器不同，频率梳就像一把尺子，可以测量不同频率范围内的光。这些梳子已被用于提高原子钟的精度、光测量以及环境监测等诸多领域。

然而，马兰迪表示，频率梳主要面临两大挑战：一是光源太大，二是很难在不同的所需光谱窗口内制作频率梳。我们的工作为解决这两个问题提供了一条途径。

新设备的关键进步在于马兰迪所说的色散工程——塑造不同波长的光在设备中的传播方式，确保它们保持在一起而不是散开——以及精心设计的谐振器结构。这些技术共同作用，使设备能够有效地展宽光谱并保持相干性，同时只需要极低的阈值（即开始工作所需的能量）。

令人惊讶的宽相干光谱

马兰迪说，他和他的团队对该设备的性能感到惊讶。“我们打开它，加大功率，然后观察光谱，发现它非常宽。尤其让我们惊讶的是，这个超宽的光谱居然是相干的。这与教科书上关于OPO工作原理的描述完全相反。”他说道。

这促使研究人员重新回到模拟和理论研究，试图弄清楚其中的奥秘。在模拟中，将入射光的能量提升至阈值以上会导致光谱变得不相干——也就是说，光谱包含各种波长，且相位不锁定，这意味着不会产生频率梳。但在实验室中，当光谱进一步高于阈值时，光谱是相干的。

“我们花了大概六个月的时间才发现 OPO 运行的这种新状态，其中 OPO 远远超出其阈值并且相干性得到重新建立，”Marandi 说。

“由于这种 OPO 的阈值比以前的 OPO 低几个数量级，而且色散和谐振器的设计与以前的 OPO 实现不同，我们可以观察到这种现象的光谱展宽，其能量效率比其他光谱展宽方案高出几个数量级。”

研究人员表示，这项研究或将重塑目前基于频率梳的技术（目前主要应用于桌面装置）向集成光子器件的转型方式。制造稳定频率梳的主要技术之一需要显著拓宽其光谱。而这种拓宽所需的能量一直是阻碍频率梳技术在芯片上集成的瓶颈之一。

除此之外，大部分光子技术，包括用于测量分子的大多数成熟激光器和探测器，都是在近红外或可见光范围内运行。

OPO 以近红外激光作为输入频率，然后高效地转换光，输出中红外范围内的相干光，这可以让研究人员（例如从事光谱学研究的研究人员）获取较低频率的大量信息。

来源：小吴说科学