导读

MIT报道LSA文章

光学频率梳（Optical Frequency Combs）起源于飞秒激光脉冲列在频域中的等间距结构。2000年左右，John L. Hall 和Theodor W. Hänsch 等人率先将其用于精密频率计量和光学钟的比对，因此共同获得了2005 年诺贝尔物理学奖。频率梳技术使得光频信号与微波频率之间的精确映射成为可能，从而极大推动了计量学和高分辨率光谱学的发展。

双梳光谱（Dual-Comb Spectroscopy, DCS）是一种无需机械扫描的傅里叶变换光谱技术，它利用两套频率稍有差异的光梳相互干涉，将高分辨率光谱信息映射到射频域。该方法大幅提升了测量速度和分辨率，适用于从实验室分析到大气遥感等诸多场景。要实现该技术在实际传感与光谱应用中的广泛部署，仍需依赖于一个稳定、高度集成且可实现大规模制造的长波红外频率梳平台。

近日，由曾天宜与胡青教授等人领导的麻省理工研究团队，首次在量子级联激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）端面上实现了全集成的空气—介质双啁啾镜（double-chirped mirror, DCM）结构。依托该结构优越的色散补偿性能，研究团队在室温下于长波红外波段（LWIR，8–13微米）实现了超过100 cm^-1 的相干频率梳带宽。通过将纳米制造的平板镜面与片上色散测量平台相结合，该团队成功将本应表现为多模行为的激光器转化为稳定的频率梳光源，为实现高度集成、可批量生产的长波红外频率梳在传感与光谱学中的应用奠定了基础。相关研究成果以“Ultrabroadband air-dielectric double-chirped mirrors for laser frequency combs”为题发表于《Light：Science & Applications》。

研究背景

长波红外（Long-wave Infrared, LWIR）波段，范围为 8 到 13 微米，位于大气的透明窗口内，涵盖了大量具有“指纹”特征的分子吸收谱线，如臭氧（O₃）、一氧化二氮（N₂O）、甲烷（CH₄）、氟利昂 134a，以及氯氟碳化物（CFCs）等工业污染物。

传统的 LWIR 光谱仪通常依赖体积庞大的扫描光学元件或离散的窄带探测器，这在速度、分辨率和现场部署能力方面造成了限制。相比之下，双梳光谱技术（DCS）利用两束相位锁定的频率梳，实现了无机械移动部件和无外部色散元件的快速、高分辨率、多通道传感能力。此类系统有望在长距离开放路径下实现多种气体的实时监测，适用于从温室气体追踪、工业排放监管到环境安全等诸多领域。

要将这些能力真正转化为紧凑、可量产的实用系统，关键在于开发能够直接在 LWIR 波段工作的宽带、高功率频率梳光源——而这一目标的理想载体正是量子级联激光频率梳（QCL comb）。

对于量子级联激光频率梳，已有多种片上色散补偿方法被提出，例如波导结构设计、耦合谐振腔以及通过附加 Gires–Tournois 干涉仪（GTI）实现的拟相位匹配。然而，这些方法普遍存在补偿能力有限的问题，主要受限于波导损耗与色散之间的权衡，或耦合强度的限制。其中 GTI 方法还受到带宽与色散量之间的内在权衡的制约，导致其有效补偿带宽受限。

研究亮点

在最近发表于《Light: Science & Applications》期刊的一项研究中，由麻省理工学院（MIT）胡青教授与曾天宜博士领导的研究团队，提出了一种可量产的集成宽带频率梳解决方案，利用集成式色散补偿镜结构（即双啁啾镜，DCM）实现了该目标。

传统的长波红外（LWIR）量子级联激光器（QCL）频率梳受增益引发的色散影响，带宽受限。为了解决这一问题，曾天宜等人将超宽带空气—介质双啁啾镜直接集成到多级增益量子级联激光器（QCL）中(图1(a))，用于实现宽带激光频率梳。这一设计避免了金属侧壁带来的光学损耗，并在单位长度内实现了极强的色散补偿，使本应产生非相干腔模的增益介质实现了频率梳的形成。

该研究的核心是一种分段式泵浦–被测器件（DUT）色散测量平台（图1(b)），通过脉冲激发的量子级联激光器（QCL）与片上的测试结构组合，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）原位测量量子级联增益介质激射阈值以上的色散特性。泵浦源与被测无源器件集成于同一芯片上，利用纳米光刻技术实现精确对准，避免了复杂的自由空间光路或超短脉冲探测需求。研究团队在其双堆结构中观察到约–40,000 fs²/mm 的巨大负群速度色散（group velocity dispersion, GVD, 图1(b)），比材料与波导色散总和高出一个数量级，因此需要极高强度的色散补偿。

研究团队通过优化的电子束光刻、混合硬掩模以及深干法刻蚀，成功制备出具有亚 100 nm 分辨率、10 微米深度的空气—介质集成双啁啾镜（图1(c)(d)）。在室温连续波（CW）工作下，带有 DCM 的量子级联激光器（QCL）显示出清晰的频率梳特征。随着电流升高，频率梳带宽持续拓展，最终超过 100 cm^-1（占总增益带宽的 83.7%，图1(e)），并伴随明显的射频拍频信号，表明通过色散补偿实现了稳定的宽带锁模。而无双啁啾镜的对照组器件，虽然展现出宽带激光输出，但未检测到拍频信号。干涉图回波(FTIR interferogram)仅在带 DCM 的器件中保持一致，明确证明了通过色散补偿实现的模间相干性。

“色散，色散，还是色散。”——这是胡青教授强调的重点，他借用了房地产经纪人所说的“地段，地段，还是地段”来比喻色散在频率梳生成中的核心地位。“色散控制是宽带频率梳生成的基石。虽然目前已有适用于红外和太赫兹波段的宽带量子级联激光器（QCL）增益介质，但制约宽带频率梳发展的最重要因素，就是色散管理。我们以此为研究核心，从精确表征色散到全片上补偿，确保了在室温下实现稳定工作的 LWIR 频率梳。”

曾天宜博士补充道：“宽带频率梳在光谱学中的重要性在于它能一次同时探测多个分子跃迁，大大提升了成分识别和定量的速度。我们的成果成功地将色散控制与增益介质设计分离开来，尤其在使用多种增益介质叠加扩展带宽时，这种分离变得尤为关键。借助我们的平台，任何具有宽带增益特性的激光介质都可以被转化为频率梳光源。”

“器件制造极具挑战性。”曾天宜回忆道，他花费数年时间优化制造工艺。“制造一个连续波量子级联激光器（QCL）只是起点。双啁啾镜面（DCM）是一个非常高效的结构，但对尺寸变化的精度要求极高——相邻布拉格镜（Bragg mirror）周期之间仅相差几十纳米。这种精度远超传统（非DUV）光刻技术的能力。此外，还必须在公认难加工的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中完成极深的刻蚀。实现这种精确尺寸控制与深度刻蚀是解锁宽带频率梳性能的关键”

图1：(a)量子级联激光器宽谱光学频率梳器件示意图：异质量子级联激光器（QCL）增益介质具有强负色散（β₂ ≈ –40,000 fs²/mm）。通过集成纳米双啁啾镜(double-chirped mirror, DCM)色散补偿结构，可形成宽带频率梳输出。(b)上图：分段色散表征结构的示意图。第 II 段为脉冲激光源，提供宽带照明；第 I 段为被测器件（DUT）。下图：处理后的傅里叶变换红外光谱(FTIR) 数据，显示残余相位及其抛物线拟合，其负曲率对应约 –40,000 fs²/mm 的强烈负色散。(c)曲线形双啁啾镜的扫描电镜（SEM）图像。(d)电镀 10 微米厚金层、完成金属线键合后的参考激光器件端面的 SEM 图像。(e)在 1260 毫安电流下，带有色散补偿的频率梳器件的宽带光频梳光谱。频率梳带宽达到 120 cm^-1，覆盖超过83.7% 的增益带宽。插图：电拍频信号，其全宽半高（FWHM）为 600 kHz。

总结与展望

这项集成式色散工程平台为未来便携式长波红外频率梳光源铺平了道路，适用于双梳光谱、远程遥感与片上计量等领域。研究团队预计，DCM 色散补偿结构可扩展至更宽的增益带宽（约 440 cm^-1），并可应用于多种激光平台，如量子点激光器（Quantum Dot Laser）、带间级联激光器（Interband-Cascade Laser）、稀土掺杂激光器（Rare-Earth-Doped Laser）等，以实现不同波长下更高宽带、更高功率的频率梳输出。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01961-4