在很多人的常規認知里，激光器像一臺極其守規矩的“光學節拍器"——它什么時候出脈沖、脈沖之間隔多遠、頻率間隔是多少，早已被諧振腔長度寫好。腔有多長，節拍就有多快；模式能落在哪些頻率上，也基本提前注定。也正因如此，傳統激光器雖然性能，卻始終有一個不太容易突破的限制，那就是它很難真正連續、寬范圍地改變自己的輸出節奏。但在高分辨光譜、雙頻梳測量、精密傳感以及高速集成光源等應用中，人們越來越需要一種“節拍可自由調節"的激光器。

激光器之所以常常調不動，根本原因在于光學諧振腔。對于常見的法布里-珀羅型激光器，相鄰模式之間的頻率間隔，也就是脈沖重復頻率，本質上由腔長決定。腔長不變，輸出模式就只能落在一系列離散頻率上，即便通過鎖模等方式調控，也往往只能在有限范圍內變化，難以實現真正意義上的連續、大跨度、無間隙調諧。這就像一根固定長度的琴弦，你可以改變演奏方式，但最自然發出的音高依舊被弦長限制。過去，人們嘗試過外腔可調結構、主動鎖模、電光頻梳等多種方案，但這些方法往往需要附加器件、機械調節，或者只能實現離散變化；真正做到單芯片、連續調、范圍大，還保持相干穩定，一直不是一件容易的事。

圖1 激光器連續可調諧相干脈沖生成原理示意圖。與傳統主動鎖模中局域、固定的增益窗口不同，該工作通過沿整個激光腔施加時空微波調制，形成可移動的凈增益窗口，從而實現脈沖重復頻率的連續調諧

這項工作的巧妙之處在于，它沒有繼續沿著“改腔長"的老路往前走，而是換了一個更聰明的辦法，去改變脈沖在腔內被推動的方式。研究團隊通過外加微波信號調制激光偏置，讓整個激光腔都參與到時空調制中，從而形成一個沿腔體傳播的“行進式凈增益窗口"。在傳統有源鎖模激光器中，調制器通常只占據腔體的小段區域，更像一個固定位置的“閘門"，而在這項研究中，調制本身變成了一條會移動的“引導帶"，能夠隨著外部微波頻率變化而改變行進速度。于是，腔內光脈沖不再只是沿著天然群速度傳播，而會在增益和損耗梯度作用下被持續“牽引"——有時加速，有時減速，直到它的往返節拍與外部微波頻率同步。研究人員將這一機制歸結為“脈沖牽引（pulse pulling）效應"，本質上是利用時空增益調制主動塑造脈沖在腔中的平均群速度。

圖2 實驗器件結構與工作平臺示意圖。研究團隊采用太赫茲量子級聯激光器作為實驗平臺，通過在整個腔體范圍內引入微波場，實現對腔內增益的時空調制，為連續可調諧鎖模提供基礎

為了驗證這一機制，研究團隊選用了太赫茲量子級聯激光器作為實驗平臺。實驗器件長度為6 mm，自然重復頻率約為6.61 GHz。結果顯示，在強微波驅動下，器件輸出頻率梳的模間距可以隨著調制頻率在4 GHz到16 GHz之間連續變化，相當于實現了400% 的調諧范圍。更重要的是，這并不是簡單的頻譜漂移，而是對應著一列列真正的相干脈沖列，時域中的脈沖重復頻率與外部微波信號一致，頻域中的模間距也同步連續變化。研究團隊進一步利用SWIFT光譜技術驗證了輸出的相干性與穩定性，結果表明，在整個調制范圍內都能得到清晰、穩定、可重復的相干脈沖列，且實驗結果與數值模擬高度一致。也就是說，這不是某種偶然出現的邊界現象，而是一種具有明確動力學支撐的新型鎖模工作機制。

研究團隊還將這種單片半導體激光器用于吸收光譜實驗，結果顯示，僅通過掃描微波調制頻率并記錄探測器強度信號，就成功重建出了水蒸氣在2.97 THz附近的吸收譜線，而且在中心頻率、線寬和吸收深度等關鍵指標上，與標準FTIR光譜儀結果吻合良好。換句話說，這種激光器不僅“能自由打節拍"，而且已經展現出進入實際測量場景的潛力。這項研究更重要的意義在于，它改變了人們對“頻率梳可調性"實現方式的想象。過去，連續可調頻梳依賴復雜外腔、級聯調制器或非線性光學系統，而這項工作給出的答案，是把“連續調諧"直接做進一枚單片半導體激光器內部。研究人員指出，這種器件沒有機械運動部件，依賴電子控制，可實現約1μs量級的快速重復頻率調節。同時，這一思路還有望推廣到其他半導體激光器，擴展到紅外乃至可見光波段。

圖3 可調諧半導體頻梳用于吸收光譜測量。研究團隊利用該器件對水蒸氣在 2.97 THz 附近的吸收線進行了重建，結果與標準 FTIR 光譜測量高度一致，驗證了其在實際光譜測量場景中的應用潛力

長期以來，激光器的節拍似乎總是由腔長決定，而這項研究的啟發是：真正的自由，也許不在腔外，而在腔內。當研究人員學會在整個激光腔中塑造一個可移動的時空增益窗口，光脈沖便不再被固定節拍束縛，而能夠在電子信號的牽引下被重新編排。從固定節拍到連續調諧，從被動服從腔模到主動塑造時頻結構，它不僅讓單片激光器擁有了的“節拍自由度"，也為未來更加靈活、緊湊、可編程的芯片級頻梳光源打開了想象空間。對于高分辨光譜、雙頻梳探測、精密傳感乃至下一代集成光子系統來說，這或許是一次值得關注的重要躍遷。

參考文獻： 中國光學期刊網

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