量子级联激光器是一种明亮紧凑的半导体激光器，在中远红外光谱区域发光。
封闭环形腔使它们走上了通向超快脉冲的道路。复金兹堡朗道方程是连接许多物理领域的数学基础，包括超导性、超流体、非线性光子学和水波。将一个新的物理系统或问题映射或近似到这个基本方程或它的许多导数之一，例如非线性薛定谔方程，通常标志着理解整个系统的重大进展。来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员们在《自然》杂志上报道了关于量子级联激光器（QCL）的重大进展。论文链接为：https://doi.org/10.1038/s41567-020-0945-2。
QCL利用了半导体量子阱中导带子带间的级联跃迁。因此，它们可以被电泵浦，从而产生高的平均功率和很长的相干长度，因此已经成为各种中红外应用的首选光源。中红外光谱区域被称为“分子指纹区”，这里有许多有机基团和分子的基本振动跃迁，这就是中红外光谱在医学诊断和生化分析方面具有巨大潜力的原因，这也推动了激光技术的进步。然而，由于有源半导体介质导带子带中光声子和电子之间以散射形式的快速非辐射弛豫而产生的超快增益恢复时间，使得QCL的脉冲状态工作困难。
QCL频率梳通常采用线性法布里 - 珀罗激光器。空间烧孔通过驻波腔有选择的使集居数反转去激发，迫使他们在频率调制模式下操作，其中载频变化迅速和周期性的往返只有很少的强度变化。研究人员表示，单向环形QCL输出的光脉冲不同于法布里 - 珀罗QCL（如图1）。众所周知，驱动耗散非线性系统脱离热平衡，研究人员报告的环形QCL可以支持由色散和非线性复杂的双平衡以及外部驱动和耗散产生的稳定脉冲解决方案。这种耗散孤子在自然界中普遍存在，在各种有源和无源激光器中都可以观察到。
图1 单向环形量子级联激光器原理图
研究人员们通过推导环形QCL的运行主方程来支持他们的实验，该方程包括半导体增益材料的快速振幅和相位力学。他们通过绝热消除快载流子动力学，将单向环QCL的方程映射到金兹堡朗道方程中。由此得到的数学项具有与色散和克尔非线性相似的结构。主方程的数值解表明，光脉冲是通过相位湍流的中间状态从数值种子噪声中自发产生的。相位湍流描述了金兹堡朗道方程的一种状态，在这种状态下，连续背景下会出现小的混沌振荡。在环形QCL的情况下，由于修正色散项和非线性项的相互作用，初始混沌图案趋于稳定，并且每个腔往返出现可变数量的稳定光脉冲。这种行为类似于被动光腔中耗散克尔孤子产生的情况。然而，在标志耗散克尔孤子特性的许多显著特征中，最重要的是窄线宽种子激光器的相干泵浦，它对于低损耗腔具有明确的失调，以及连续波和孤子解的双稳性，这不能直接转化环形QCL，但可以为今后研究环形QCL的基本相图提供指导。
闭合环QCL结构的关键问题是如何有效地从腔中提取光辐射。传统的集成微环激光器是用破坏旋转对称性的消逝波导耦合器制造的。这导致了顺时针和逆时针空腔模式之间的混合，进而导致空腔中出现驻波图案和空间烧孔现象。研究人员们进行了一项巧妙的附加实验，探索了介于线性法布里 - 珀罗腔和闭合环之间的方案：通过在环形波导中部分蚀刻的缝隙，实现对环中顺时针和逆时针模式之间的耦合量的控制，从而控制空间烧孔。研究所人员由此证明合适的反射系数足以驱动QCL作为调频激光器。此外，该研究结果还表明环形QCL中没有空间烧孔现象，并对输出耦合器的反射率设定了1%的上限，该阈值与环形QCL未来的实际操作相兼容。
几十年来，半导体激光器的多模不稳定性一直困扰着研究人员和工程师，由于他们一直试图提高紧凑型激光源的相干性。然而，通过理解、利用和控制等多模操作，可以产生如相干的短光脉冲序列等具有激发特性的新光源。研究人员们提出的新的环形QCL主方程将推动半导体激光器中孤子波形综合理论的发展。
