红外波段激光器

成果名称基于光纤激光器的可见光频率梳、20GHz可见光波段天文光学频率梳单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 □原理样机 &radic 通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。利用频率梳测量频率时，需要频率梳的频率间隔在200MHz以上，以便波长计数器计量波数。特别地，类地行星观测需要20GHz以上频率间隔的频率梳来定标光谱仪，这个频率间隔一般的光纤激光器无法达到，目前只能依靠法布里-珀罗（FP）滤波装置进行频率倍增。由于FP透射光谱的有限线宽会导致边模泄露，从而影响天文光谱仪的定标精度，因此需要源激光频率梳本身的频率间隔尽量大，以抑制边模。可见，研制高重复频率（大频率间隔）的频率梳已经成为国际激光器和频率梳领域研究的热点和难点。目前该产品的国内市场基本上被德国Menlo System公司生产的基于掺镱光纤激光器的可见光域频率梳垄断，我国亟需研制出具有自主知识产权的光梳设备。2011年，北京大学信息学院张志刚教授申请的&ldquo 基于光纤激光器的可见光频率梳&rdquo 得到第三期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金经费支持下，通过关键配件的购置和加工，该项研究得以顺利开展。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作，包括：（1）搭建高重复频率、1um波长的锁模光纤激光器，作为频率梳&ldquo 种子源&rdquo ；（2）研究初始频率和腔内色散的关系，以得到更高信噪比的初始频率信号；（3）利用合适的色散补偿元件对种子源输出的脉冲进行色散补偿，并进行多级反向放大，使其输出功率满足频率梳要求；（4）试验多种光子晶体光纤，以获得更宽的、覆盖可见光域的光谱。通过以上工作的开展，课题组成功研制出了国际首创的500MHz光学频率梳样机，而Menlo公司同类产品重复频率仅为250M。这一技术的产品化将打破外国公司在国内市场的垄断，填补国内外市场的空白。在第三期项目工作的基础上，张志刚课题组的王爱民副教授申请的&ldquo 20GHz可见光波段天文光学频率梳的研制&rdquo 项目在2012年得到了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在第四期基金的支持下，项目组发展了前期500MHz高重复频率的光学频率梳的研究成果，开展了更加深入的工作，包括：（1）利用FP技术对500MHz重复频率的稳定光梳进行倍频，获得20GHz、1m波段的稳定光学频率梳；（2）对20GHz光学频率梳进行功率放大、脉冲压缩和倍频，实现515nm波段的蓝光飞秒光梳源；（3）利用拉锥光子晶体光纤对飞秒蓝光光梳进行可见光扩谱，达到400-750nm的光谱覆盖。通过这些工作，课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。这两期项目目前已经结题，其成果已进入产品化阶段，科技转化前景良好。相关成果受到了北京市科委的高度重视。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作。课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。应用前景：光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。

近日，华南理工大学教授李志远团队成功造出一台全谱段白光激光器，其具备光斑明亮、光谱光滑且平坦、大脉冲能量的特点，能覆盖 300-5000nm 的紫外-可见-红外全光谱，单脉冲能量达到 0.54mJ。这样一台全谱段白光激光器的面世，可用于构建全谱段的超快光谱学探测技术，有望将激光技术推至世界领先水平，从而更好地服务于前沿研究。图 | 李志远（来源：李志远）基于本次成果，课题组将进一步构建全谱段的超快光谱学探测设备，届时有望对物质内部多个波段中的物理、化学和生命过程开展超快的精密探测，从而实现高速摄谱的技术能力，进而用于开展二维材料、锂离子电池、化学催化等领域的研究。本次研究中所涉及的光谱学技术，可以覆盖深紫外-可见波段的原子以及分子的电子跃迁吸收谱，也能覆盖近红外波段的半导体带间电子跃迁吸收谱、以及中红外波段的分子振动等。借此可以打造一种崭新的光谱学检测手段，对于那些使用传统手段所无法揭示的新现象和新规律，本次新手段很有希望填补相关空白。（来源：Light: Science & Applications）鉴于光学波段的光子和物质的电磁相互作用强度以及灵敏度，远远超过 X 射线光子与物质原子核、以及内壳层电子的电磁相互作用。而且，即便是 1mJ 量级的全谱段白光飞秒脉冲激光的光子亮度，也远远超过目前同步辐射 X 射线光源的亮度。“因此，全谱段白光激光器在物质科学和生命科学中所发挥的作用，也有望超过传统的同步辐射 X 射线光源。”李志远表示。日前，相关论文以《强紫外-可见-红外全谱段激光器》 （Intense ultraviolet–visible–infrared full-spectrum laser）为题发在 Light: Science & Applications，华南理工大学博士生洪丽红是第一作者，华南理工大学李志远教授、中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）李儒新院士担任共同通讯 [7]。图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）助力解决 Science 125 个待解难题之一据介绍，作为一种崭新的激光光源，超宽带白光激光具有极宽带宽、高光谱平坦度、大脉冲能量、高峰值功率、高时空相干性等五大优点，能极大拓展激光技术的发展和应用范围。而如何构建一台覆盖紫外-可见-红外波段的全谱段白光激光器，同时拥有高峰值功率和高脉冲能量，是一个极具挑战的宏大目标。2020 年，Science 杂志将其列为 125 个前沿重大科学问题之一。主要原因在于，基于目前纯粹单一的激光器技术、二阶非线性变频技术、以及三阶非线性频率展宽技术，远不足以解决这一问题。过去十年，李志远团队基于自主开发的啁啾结构非线性铌酸锂晶体，结合大脉冲能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光泵浦，利用二阶和三阶非线性协同作用的原创性物理机制，提升了白光飞秒激光的转换效率、频谱带宽、脉冲能量、光谱平坦度等指标。要想产生全谱段白光飞秒激光，需要达到两个先决条件：带宽超过一个光学倍频程的强泵浦飞秒激光光源，以及具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。不过，要想同时满足上述两个条件并非易事。为此，课题组使用光学参量啁啾脉冲放大技术，以及使用由充气空心光纤、纯铌酸锂晶体材料和啁啾极化铌酸锂晶体组成的极宽带非线性变频模块，将飞秒激光技术、二阶非线性变频技术、三阶非线性频率展宽技术加以综合，研制了这款全谱段白光激光器。其中，二阶和三阶非线性效应协同作用的原创性物理机制，是打造本次全谱段白光激光器的秘密。上述机制的好处在于，能够清除二阶非线性或三阶非线性方案中所存在的输出光谱性能不佳的限制。李志远表示：“全谱段白光激光有望成为激光技术发展历史上的一个里程碑，并能很好地回答 Science 杂志 2020 年的 125 个最前沿的科学问题，即人类能否造出与太阳光相似的非相干强激光。”（来源：Light: Science & Applications）让中国学界真正拥有属于自己的实验设备多年来，学界一直渴望产生像太阳光一样的白光激光。紫外-可见-红外全谱段白光激光的产生，则一直是激光技术等待攻克的堡垒，也是李志远团队努力追求的目标。十年来，该课题组历经 8 次阶段性成果的积累，才造出了上述全谱段白光激光器。2014 年，该团队将啁啾调制的概念引入一维铌酸锂晶体的周期设计中。在可调谐近红外光源的帮助之下，设计出多个不同啁啾度的准相位匹配晶体，让二次、三次谐波产生的非线性过程的相位失配，能够在单个晶体中得到补偿，借此实现宽带可调谐三基色光源的同时输出，也拉开了课题组“白光激光”之梦的序幕。2015 年，李志远让学生陈宝琴开展啁啾结构铌酸锂晶体中六次谐波产生的研究。在实验的关键阶段，李志远去现场看学生做实验，结果发现了又圆又白的激光束产生，这完全出乎意料之外。李志远觉察到这是一个“好东西”。仔细分析之后，确定啁啾结构铌酸锂晶体产生了二到八次谐波。在一个固体材料中产生高次谐波，这是一个前所未有的科学发现，也让课题组开始树立“白光激光”的梦想。随后，他们设计了啁啾结构非线性光子晶体，以中红外飞秒脉冲激光为泵浦源，在单块晶体中同时产生了超宽带二到八次谐波。其中，四到八次谐波形成 400-900nm 超宽带可见白光激光，其转换效率达到 18%。2014 年和 2015 年的这两项工作表明：该团队自主研发的铌酸锂晶体二阶非线性方案，可以支持宽带二次谐波产生。同时，也能支持宽带二次谐波和三次谐波产生，甚至支持基于级联三波混频的高次谐波产生，最终可以实现超宽带可见白光激光的产生。而要想产生全谱段白光飞秒激光，就需要继续深挖上述方案的潜能，以便满足产生全谱段激光所需要的苛刻条件：即泵浦激光脉冲带宽要足够宽，非线性晶体材料的准相位匹配带宽要足够大。2018 年，课题组选用更高能量的近红外飞秒脉冲激光作为泵浦源，针对相关泵浦条件设计出一款啁啾结构铌酸锂晶体，这块晶体在不同偏振状态之下，均能同时产生二次谐波和三次谐波。通过此他们首次发现了二阶和三阶非线性协同作用的新物理机制，并证明这一机制能够显著提升相关性能的指标。利用级联二次谐波和三次谐波方案，他们生成了 400-900nm 可见-近红外波段的可调谐白光激光，转换效率达到 30％。这一发现，也促使他们去发现产生白光激光的更优路线，即基于二阶和三阶非线性协同作用产生超连续白光激光的方案。在新路线的指导之下，他们设计出一块能同时产生二到十次谐波的宽带白光非线性晶体材料。针对这款白光非线性晶体材料，他们又采取 45μJ 脉冲能量的 3.6μm 中红外飞秒脉冲激光泵浦的设计方案，借此产生 25dB 带宽、覆盖 350-2500nm 的紫外-可见-红外超连续白光飞秒激光，单脉冲能量为 17μJ，转换效率为 37%。在此基础之上，他们继续优化二阶非线性和三阶非线性协同效应。期间，该团队发现石英玻璃的三阶非线性效应远远优于铌酸锂晶体，而特殊设计的铌酸锂啁啾非线性光子晶体可以同时使用高达十二阶次的准相位匹配。后来，他们利用 0.5mJ 的钛宝石飞秒脉冲激光器泵浦，来对熔融石英-啁啾极化铌酸锂晶体进行泵浦，最终实现 10dB 带宽覆盖 375-1200nm、20dB 带宽覆盖 350-1500nm 的超连续激光，单脉冲能量为 0.17mJ，转换效率为 34%。前面提到，课题组期望实现的白光飞秒激光具有五个高指标。因此，在追求极宽带宽范围的同时，他们还得实现更大的脉冲能量、更高的光谱平坦度。于是，该团队以高能量钛宝石主激光作为泵浦源，针对由熔融石英和啁啾极化铌酸锂晶体组成的级联光模块，对其整体非线性响应进行进一步的操纵，从而显著提高了白光飞秒激光的综合性能。期间，他们利用 3mJ 脉冲能量的钛宝石飞秒激光泵浦，对石英-超宽带白光非线性晶体级联模块进行熔融，基于二阶和三阶非线性协同作用的高效超宽带二次谐波产生方案，实现了 mJ 量级、3dB 带宽覆盖 385-1080nm 的超宽带白光飞秒激光。此外，自 2018 年起课题组联合一家外部公司研制了 3mJ/50 fs/1 kHz 钛宝石飞秒激光器，实现了相关仪器的国产替代。并以此作为泵浦源，和白光非线性变频模块加以结合，从而形成了成熟高效的白光飞秒激光生成方案，借此造出一款白光飞秒激光整机设备。以上成果也促使他们进一步思考：如何产生覆盖一到十次谐波的全谱段白光激光？为此，他们与上海光机所李儒新院士团队合作，提出一款非线性级联装置。这种装置可以满足以下两个条件：一个较强的带宽达到光学倍频的中红外泵浦激光光源；以及一个具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。随后，他们基于光学参量啁啾脉冲放大技术，研制出一种中红外飞秒脉冲激光器，它具有 3.5mJ、3.9μm 中心波长，可以起到泵浦激光光源的作用。接着，基于宽带二阶和三阶非线性变频模块，他们获得了光谱范围 25dB 带宽、覆盖 300-5000nm 的全谱段超连续白光飞秒激光。“至此，我们欣喜地发现借助强中红外飞秒激光作为泵浦源已经成功走通了全谱段白光激光产生的道路。”李志远表示。（来源：Light: Science & Applications）总的来说，课题组已经实现了“三高”型白光飞秒激光：大单脉冲能量（第一高）、300-5000nm 的频谱宽度（第二高）、高光谱的平坦度（第三高），基本涵盖了铌酸锂晶体的全部透光范围。接下来，他们将继续与李儒新院士团队合作，朝向更高目标前进，力争实现深紫外-紫外-可见-近红外-中红外-远红外的“三高”全谱段白光飞秒激光。假如可以实现，就能建造比拟同步辐射光源、以及自由电子激光光学波段的全谱段超连续激光光源。“届时，相信我们中国科学界将拥有属于真正自己的研究物质科学和生命科学的实验设备。”李志远最后表示。

近日，睿创研究院及睿创光子团队在中红外带间级联激光器（Interband cascade laser，ICL）的研究取得重要进展，相关团队实现了高性能、室温连续工作、多个激射波长的带间级联激光器系列，结合分子束外延技术，在InAs衬底上生长带间级联激光器材料，制备的窄脊器件室温激射波长接近4.6μm和5.2μm。目前大部分带间级联激光器生长在GaSb衬底上，而睿创团队报道的带间级联激光器生长在InAs衬底上，波导包层由InAs/AlSb超晶格和高掺杂的InAs层构成。相比于常见的GaSb基带间级联激光器，InAs基带间激光器在较长波长处（例如长于4.5μm）具有更低的阈值电流密度。（a）4.6μm波长、2mm腔长、10μm脊宽的器件在20℃-64℃之间连续激射光谱；（b）同一器件在20℃-64℃之间的连续电流-电压-功率曲线对于4.6μm波长的带间级联激光器，宽脊器件室温脉冲阈值电流密度为292A/cm²；2mm腔长和10μm脊宽的窄脊器件的连续工作温度可达64℃，室温输出功率为20mW；在相近波长处为目前报道的最高连续工作温度。对于5.2μm波长的带间级联激光器，宽脊器件室温脉冲阈值电流密度为306A/cm²；2mm腔长和10μm脊宽的窄脊器件最高连续工作温度为41℃，室温输出功率为10mW；其中阈值电流密度在类似波长为报道的最低水平。相关论文“High-temperature continuous-wave operation of InAs-based interband cascade laser”和“InAs-based interband cascade laser operating at 5.17 μm in continuous wave above room temperature”分别发表于Applied Physics Letters 和IEEE Photonics Technology Letters。（a）5.2μm波长、2mm腔长、10μm脊宽的器件在15℃-41℃之间连续激射光谱；（b）同一器件在15℃-41℃之间的连续电流-电压-功率曲线带间级联激光器是基于能带工程和量子力学产生激射，技术含量很高并且研制难点众多，是国家纳米和量子器件核心技术的重要体现，目前和量子级联激光器（Quantum cascade laser，QCL）并列为重要的中红外激光光源，在环境监测、工业控制、医疗诊断和自由空间通信等领域具有重要的应用价值和科学意义。带间级联激光器的原始概念由美国俄克拉荷马大学的杨瑞青教授（Rui Q. Yang）于1994年首次提出，目前基本上都采用近晶格匹配的InAs/GaSb/AlSb三五族材料体系来构造，有源区大多为InAs/GaInSb二类量子阱，其能力可覆盖从中红外到远红外的波长范围。带间级联激光器结合了传统半导体二级管激光器和量子级联激光器的优势，与同样能覆盖中红外波段的量子级联激光器相比，具有更低的阈值功耗密度和阈值电流密度，这种极低功耗的优势在一些需要便携和电池供电设备的应用中显得非常重要。目前全球带间级联激光器市场仍由国外企业占据主导地位，国内仍处于产业发展的初始阶段。本文报道的这两项工作标志着睿创光子在带间级联激光器的外延设计和器件制备等多个方面同时达到了较高的技术水平，成为掌握高性能带间级联激光器技术的企业。该工作也为后续单模可调谐的DFB带间级联激光器的研发和量产打下了坚实的基础。睿创光子（无锡）技术有限公司是烟台睿创微纳技术股份有限公司的控股子公司，聚焦III-V族光电子器件、硅基光电子器件等光子芯片技术研发与产业化。