量子級聯(lián)激光器是一種明亮緊湊的半導體激光器，在中遠紅外光譜區(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。復金茲堡朗道方程是連接許多物理領域的數(shù)學基礎，包括超導性、超流體、非線性光子學和水波。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數(shù)之一，例如非線性薛定諤方程，通常標志著理解整個系統(tǒng)的重大進展。來自洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員們在《自然》雜志上報道了關于量子級聯(lián)激光器（QCL）的重大進展。論文鏈接為：https://doi.org/10.1038/s41567-020-0945-2。

QCL利用了半導體量子阱中導帶子帶間的級聯(lián)躍遷。因此，它們可以被電泵浦，從而產生高的平均功率和很長的相干長度，因此已經成為各種中紅外應用的首選光源。中紅外光譜區(qū)域被稱為“分子指紋區(qū)”，這里有許多有機基團和分子的基本振動躍遷，這就是中紅外光譜在醫(yī)學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的進步。然而，由于有源半導體介質導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生的超快增益恢復時間，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?？臻g燒孔通過駐波腔有選擇的使集居數(shù)反轉去激發(fā)，迫使他們在頻率調制模式下操作，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雜的雙平衡以及外部驅動和耗散產生的穩(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，該方程包括半導體增益材料的快速振幅和相位力學。他們通過絕熱消除快載流子動力學，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)學項具有與色散和克爾非線性相似的結構。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生的情況。然而，在標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，以及連續(xù)波和孤子解的雙穩(wěn)性，這不能直接轉化環(huán)形QCL，但可以為今后研究環(huán)形QCL的基本相圖提供指導。

閉合環(huán)QCL結構的關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對稱性的消逝波導耦合器制造的。這導致了順時針和逆時針空腔模式之間的混合，進而導致空腔中出現(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)足以驅動QCL作為調頻激光器。此外，該研究結果還表明環(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主方程將推動半導體激光器中孤子波形綜合理論的發(fā)展。