环形激光器，打破激光调谐困局

维也纳技术大学 (TU Wien) 和哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的科学家团队刚刚公布了一种制造可调谐半导体环形激光器的新方法。这些先进的激光器有望提供高功率通信、更先进的安全系统等等。

西奥多·H·梅曼（Theodore H. Maiman）利用合成红宝石棒演示了第一台激光器，仅仅六年后，研究人员就开始研究可调谐激光器。与之前的固定波长激光器不同，可调谐激光器可以设置为发射各种波长的光，这使得它们非常适合光通信和显微镜等精密应用。因此，可调谐激光器已成为当今高科技和医疗领域的重要组成部分。

可调谐激光器类别：气体激光器、光纤激光器、OPO激光器和半导体激光器。

如今，可调谐激光器种类繁多，包括气体激光器、光纤激光器、光参量振荡器 (OPO) 和半导体激光器。可调谐半导体激光器被许多人视为最先进的选择。它们体积小巧，支持宽波长，并提供充足的功率。

可调谐激光技术的性能已取得巨大飞跃。然而，仍然存在诸多限制，阻碍了该技术发挥其最大潜力。例如，波长范围较宽的可调谐激光器通常精度较低。此外，这些设备的制造成本及其整体脆弱性也被视为其发展的障碍。

如何调谐半导体激光器

制造和调谐半导体激光器主要有两种方法。第一种方法需要在激光器脊上添加精密的光栅。该光栅以纳米级的精确角度切割，以产生频率选择性的光反馈。这种装置允许工程师通过改变激光器的电流来放大特定波长，并减少其他波长的干扰。

调谐半导体激光器的第二种方法是利用外腔。在这种装置中，旋转的衍射光栅将精确的波长反射到腔内。腔体（将特定波长激发成激光）可以通过旋转进行调谐。

当今半导体激光器的问题

半导体激光领域存在一些缺陷，工程师们多年来一直在努力克服。首先，精度和范围能力之间仍然存在平衡问题。到目前为止，你要么拥有一个非常精确的设备，要么拥有一个能够很好地覆盖各种波长的设备。

半导体激光器的另一个问题是，随着温度升高，其性能会显著下降。当半导体激光器变热时，它会损失功率、效率，甚至可能损坏。因此，在宽光谱范围内实现长期、连续、无跳变的调谐是不可能的。

意识到这些局限性后，哈佛大学的工程师和其他知名院校的科学家着手研制第一台宽谱高精度半导体激光器。他们在《光学》杂志上发表的题为《连续宽调谐半导体环形激光器》的研究报告中记录了他们的研发历程。

该论文揭示了他们关于一种新型可调谐半导体激光器的研究成果，该激光器采用环阵列量子级联激光器 (QCL) 架构，在支持扩展光谱范围的同时提供平滑的可调谐性。值得注意的是，量子级联激光器是一种在远红外光谱中产生光束的半导体激光器。

环形量子级联激光器设计：独立、可寻址阵列

该团队首先创建了多个小型、可独立寻址的环形量子级联激光器 (QCL)。值得注意的是，环形激光器具有两束偏振相同的光束。这些光束沿着由镜子形成的闭环以相反的方向发射。这种方法可以精确测量最细微的移动。因此，环形激光器常用于导航系统中，用作陀螺仪。

在本例中，科学家利用量子级联激光活性材料和干法蚀刻工艺制作了环形激光器。此外，每个环上都添加了电触点和总线波导。工程师们指出，这种方法提高了性能，减少了总线波导的光损耗。

每个环都设计成具有不同的半径。使用不同尺寸的环可以为每个空间创建不同的激光频率。这种方法使工程师能够分别调整每个环，而不会出现任何激光下降的情况。

利用环形耦合器实现单模发射

这种独特的方法使工程师能够利用多个环来产生特定的功率和波长。该系统允许工程师通过沿激光器直线段的衰减定向耦合器将来自每个环的光束组合到单个波导中。巧妙的是，定向耦合器通过确保光仅沿一个方向传播，从而防止了增益光栅。

研究团队指出，他们的激光器采用了一种独特的发光方式。该系统依赖于一种通过总线波导的面发射方法。该波导可在室温下根据需要调整和放大激光频率。

该激光器采用模块化设计，工程师可以根据任何需求进行扩展。此外，环形激光器可以同时运行，也可以在单环模式下运行。因此，组合激光器可以产生更强、更密集的光束，使其成为某些高科技应用的理想选择。

半导体环形激光器测试

工程师们在维也纳技术大学微纳米结构中心的洁净室设施中测试了他们的理论。他们在这里制造了一个由5个环组成的激光装置，每个环的半径各不相同。具体来说，环的尺寸从220微米到260微米不等。

完成后，团队测试了不同的激光设置和波长。例如，他们结合了三个不同环的调谐范围，以测试宽带宽上的无跳模调谐。

测试结果证实了工程师们的模型。团队指出，单环量子级联激光器 (QCL) 在室温下连续工作时可发射高达 0.5 mW 的光束。测试还表明，尽管激光端面有强烈的光注入，激光芯片仍能保持稳定的波长输出。这些测试表明，新的激光器设计在高水平的光反馈下具有良好的弹性。

此外，工程师们指出，其性能与多段式DFB激光器相当。这一发现是一个巨大的里程碑，因为它意味着无需在每个激光器的有源区域制作独特的光栅即可制造此类激光器。

具体来说，该团队能够利用三个激光环平滑地扫描从 266 GHz 到 395 GHz 的光带宽。扫描过程非常平稳，并且每个环之间的光谱重叠极小。值得注意的是，该装置在高光注入量下也能产生非常稳定的光束。

这项研究将为激光器市场带来诸多益处。首先，这种设计没有活动部件，制造起来更加便捷且经济实惠。通过降低高端激光器的制造成本，它为更多应用场景和进一步的普及打开了大门。

该设备体积小巧，采用环形激光器，可根据特定需求进行放大或缩小。这种策略可以实现波长的微调和稳定的发射。更小的激光器将有助于推动未来技术和可穿戴设备的发展。

值得注意的是，传统的可调谐激光器每次只能发射单一波长。相比之下，环阵列激光器的模块化设计使得多个环能够同时工作，并使用不同的环半径来瞄准不同的波长。

使用多个环形激光器和单向耦合器有助于减少背向反射，而背向反射曾困扰着之前的激光器设计。因此，这种结构可以支持强大的激光器，使其能够处理更大的能量，从而产生比之前更强的光束。

半导体环形激光器的实际应用

这项技术在现实世界中有很多应用。首先，激光器是当今许多高科技领域的关键竞争要素。创造更强大、更实用的设备将有助于降低当今技术的成本，同时推动创新产品的推出。以下是这项技术的其他一些用例。

• 通讯

电信行业一直在寻求更强大的激光器。这项最新进展或将助力打造超级网络，实现前所未有的高速数据传输。未来，这些设备或将用于跨越宇宙传输数据，让数百万英里外的太空旅行者与地球保持联系。

• 医疗

医疗领域使用激光的原因有很多。从扫描疾病到矫正视力，这些激光器将在未来以多种方式帮助改善数百万人的健康。更小巧的尺寸、更高的灵活性和准确性将有助于推动新一代自动化医疗服务和程序的发展。

• 安全

高功率激光扫描仪是包括天然气和化工在内的多个行业的重要组成部分。这些设备可以扫描最细微的问题，以防止灾难性的故障。这项技术可以帮助检测天然气管道泄漏、基础设施老化以及其他保障民众安全的关键任务。

半导体环形激光器可能在未来5-7年内上市。这项技术的需求迫在眉睫，制造商也渴望利用它来打造更小巧、更先进的产品。军事集成的周期会更短，从而加快发展速度，以满足未来战场日益增长的需求。