Opto-Electronic Advances
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香港中文大学任伟教授课题组和上海科技大学王成教授课题组合作提出了一种无需相位控制的光反馈压窄QCL线宽的方法，在降低传统腔衰荡光谱系统复杂度的同时，可以大幅提高测量信噪比，为中红外痕量气体探测提供了新思路。
第一作者：聂沁雪
通信作者：任伟 王成
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研究背景
光反馈（Optical feedback）是一种重要的激光调控技术，通过反射镜反射的光场与激光器光场耦合能产生丰富的非线性动力学行为。适当条件的光反馈可以压窄激光线宽、实现激光稳频，在精密光谱学领域发挥着重要作用，基于光反馈的腔衰荡光谱技术可以实现痕量气体的高灵敏、高精度探测。然而，常用的半导体激光器对反馈光特别敏感，只有精确控制反馈光的强度和相位才能实现线宽压缩的效果。通常需要非常弱的光反馈（反馈比远小于1%），更为重要的是要确保反馈光与腔内光场的相干叠加，从而达到理想的线宽压窄效果。当反馈光强度过高时（反馈比大于0.1%~1%），激光器会产生混沌并导致激光线宽急剧增加，因此半导体激光光谱技术通常采用隔离器避免过强的光反馈。
量子级联激光器（Quantum cascade laser, QCL）是一种基于多量子阱子带间跃迁的半导体激光光源，发射波长由子带间的能级差决定，可以通过设计量子阱层的厚度来实现波长的控制。中红外QCL能够覆盖众多气体分子的指纹光谱区，光源体积小、功耗低、波长调谐精度高，非常适用于气体分析、环境监测和医疗诊断。区别于传统半导体激光器，QCL的线宽增加因子接近零，在中度反馈和强光反馈条件下仍然稳定，有望解决当前光反馈激光光谱系统需要复杂的相位控制的瓶颈问题。
本文亮点
恰逢QCL发明30周年，香港中文大学工程学院任伟教授课题组和上海科技大学信息科学与技术学院王成教授课题组合作提出了一种无需相位控制的光反馈压窄QCL线宽的方法，在降低传统腔衰荡光谱系统复杂度的同时，可以大幅提高测量信噪比，为中红外痕量气体探测提供了新思路。
实验系统如图1所示，QCL经过声光调制器（AOM）后，其零级衍射光被一平面镜（PM）反射回激光器，反馈光的强度通过偏振分束镜（PBS）调节。在中度光反馈条件下，QCL的线宽可以保持稳定的压窄状态，此过程无需任何反馈相位控制系统。声光调制器出射的一级衍射光进入高精细度（52000）光学腔用于腔衰荡光谱测量，通过压电陶瓷（PZT）扫描光学腔的一个纵模与入射激光产生谐振,声光调制器瞬间切断光学腔的入射光，腔衰荡信号由光电探测器(PD)探测获取。
图1 无需相位控制的光反馈量子级联激光器腔衰荡光谱原理
研究人员定量分析了QCL线宽和光反馈比之间的关系，如图2(a)所示，通过分子吸收线的斜边将激光的频率噪声转化为强度噪声来测量QCL的线宽，不同反馈比条件下QCL的线宽压窄情况如图2(b)所示。当反馈比大于-16.8 dB时，QCL的线宽可以从自由运转状态下的1.2 MHz压窄到170 kHz。在不同光反馈比的条件下，光学腔透射信号如图2(c)所示，在反馈比为-18.2 dB和-14.8 dB时（中度光反馈条件），光学腔透射信号明显增强且信号稳定。这一结果充分证明了，在没有任何反馈相位控制情况下，对QCL施加中度光反馈能稳定压窄QCL的激光线宽，显著提高激光耦合进高精细度光学腔的效率，极大地提升腔衰荡信号的信噪比。
图2 (a) 利用分子吸收线斜边测量激光频率噪声；(b) 不同光反馈比条件下的QCL线宽；(c) 不同光反馈比对应的光学腔透射信号
为了验证该方法的光谱测量性能，研究人员利用图1所示的实验系统，测量了温室气体氧化亚氮（N2O）在2207.62 cm-1处的吸收线（如图3(a)），基于洛伦兹线型拟合获得光谱信号的拟合残差低于3%。这一结果验证了该方法具有高精密的光谱测量性能，且打破了中红外探测器灵敏度对传统腔衰荡光谱测量的限制。此外，通过比较1~10 ppb范围内不同浓度的N2O的测量值与标称值，实验验证了该光谱系统的准确度（如图3(b)）。
图3 (a) 10 ppb N2O的吸收谱测量；(b) N2O浓度测量值和标称值对比
该项研究解决了传统光反馈腔衰荡光谱系统复杂、现场应用可靠性差的瓶颈问题，为基于QCL的超高灵敏气体探测提出了新思路，同时该方法有望拓展到带间级联激光器等其它类型中红外半导体激光器，具有极高的应用价值。该工作以“Agile Cavity Ringdown Spectroscopy Enabled by Moderate Optical Feedback to a Quantum Cascade Laser”为题发表在Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展)2024年第11期。
研究团队简介
香港中文大学（港中大）先进激光诊断实验室成立于2014年，致力于新型激光光谱、光纤气体传感，以及燃烧诊断的方法及应用研究。团队负责人任伟博士目前为港中大机械与自动化工程系教授、能源与环境工程学科主任、工程学院助理院长，主持包括国家自然科学基金、香港研究资助局、香港创新科技署科研项目30余项，在Nature Communications、Light: Science & Applications、Opto-Electronic Advances等学术期刊发表论文130余篇。担任中国光学学会激光光谱学专委会副主任委员，国际期刊Applied Physics B副主编，光学学会Optica高级会员，国际信息光学和光子学会议（CIOP）专题共主席，国际会议Optical Sensing Congress和FiOLS专题委员。
个人主页:
王成教授，上海科技大学，研究员/长聘副教授，博士生导师。2015年于法国国立应用科学学院获得博士学位，随后加入香港城市大学任高级研究助理。2016年加入上海科技大学信息学院。王成博士的主要研究方向包括储备池光计算机、混沌激光器和低噪声激光器。王成博士已发表包括Light: Science& Applications和Optica在内的期刊论文50余篇，国际会议论文80余篇。他是期刊APL Machine Learning的编辑顾问委员会成员和国际会议SPIE Photonics West程序委员会成员。
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Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展) 是一本同行评议的英文学术月刊，创刊于2018年3月，已被SCI、EI、Scopus、DOAJ、CA和ICI等数据库收录，影响因子15.3，位于JCR Q1区，中科院一区，入选中国科技期刊卓越行动计划英文领军期刊项目。由中国科学院主管，中国科学院光电技术研究所主办并出版，面向全球发行。OEA主要报道光电领域的前沿创新科研成果。期刊栏目包括原创论文、综述和快讯等，欢迎投稿！
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编辑 | 彭诗涵 张诗杰
审核 | 杨淇名
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