（圖片說明：帶有弧形輻射部件的 “梳” 的微觀視圖）
圖片說明：該頻率梳使用了圖中所示的雙啁啾鏡（DCM），這是一種特殊類型的光學(xué)鏡，具有多層結(jié)構(gòu)，其厚度從一端到另一端逐漸變化。
圖片來源：由研究人員提供

光學(xué)頻率梳是經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的激光，其作用類似于 “尺子”，能夠精準(zhǔn)且快速地測(cè)量特定頻率的光。它們可用于以極高精度檢測(cè)和識(shí)別化學(xué)物質(zhì)及污染物。

頻率梳非常適合用于遠(yuǎn)程傳感器或便攜式光譜儀，因?yàn)樗鼈儫o需復(fù)雜的移動(dòng)部件或外部設(shè)備，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)多種化學(xué)物質(zhì)的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

但開發(fā)出帶寬足夠高、可滿足這些應(yīng)用需求的頻率梳一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。研究人員通常不得不添加龐大的組件，而這些組件會(huì)限制設(shè)備的可擴(kuò)展性和性能。

如今，麻省理工學(xué)院的一組研究人員展示了一種緊湊的全集成設(shè)備：該設(shè)備利用精心設(shè)計(jì)的鏡片，可生成帶寬極寬且性能穩(wěn)定的頻率梳。他們研發(fā)的這種鏡片，再加上片上測(cè)量平臺(tái)，能夠提供大規(guī)模生產(chǎn)遠(yuǎn)程傳感器和便攜式光譜儀所需的可擴(kuò)展性與靈活性。這一成果有望催生出更精準(zhǔn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，這類設(shè)備可從大氣中的痕量氣體中識(shí)別出多種有害化學(xué)物質(zhì)。

“光譜儀的帶寬越寬，其性能就越強(qiáng)，但色散問題會(huì)成為阻礙。我們將這種限制帶寬的最大難題作為研究的核心，通過攻克每一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，確保頻率梳能夠穩(wěn)定工作。” 麻省理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)科學(xué)系杰出教授、電子研究實(shí)驗(yàn)室首席研究員、一篇相關(guān)開放獲取論文的資深作者慶虎（Qing Hu）表示。

該論文的第一作者是 2023 屆博士田毅（Tianyi Zeng）；其他作者還包括通用動(dòng)力任務(wù)系統(tǒng)公司的亞馬克迪克梅利克（Yamac Dikmelik）、索雷博量子電子公司的謝峰（Feng Xie）與凱文拉斯科拉（Kevin Lascola），以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校助理教授戴維伯格霍夫（David Burghoff，2009 屆理學(xué)碩士、2014 屆博士）。這項(xiàng)研究成果于今日發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science and Applications）期刊上。

寬帶頻率梳

光學(xué)頻率梳會(huì)產(chǎn)生一系列等間距排列的激光譜線，這些譜線形似梳子的齒，因此得名 “頻率梳”。

科學(xué)家可利用多種類型的激光（對(duì)應(yīng)不同波長）生成頻率梳。通過使用能產(chǎn)生長波紅外輻射的激光（如量子級(jí)聯(lián)激光器），他們可將頻率梳用于高分辨率傳感與光譜分析。

在雙梳光譜技術(shù)（DCS）中，一束頻率梳的光束直接穿過系統(tǒng)，最終照射到另一端的探測(cè)器上；而另一束頻率梳的光束則先穿過化學(xué)樣品，再照射到同一個(gè)探測(cè)器上。通過對(duì)比兩束頻率梳的探測(cè)結(jié)果，科學(xué)家能夠在頻率低得多的范圍內(nèi)（該范圍內(nèi)的信號(hào)更易分析）精準(zhǔn)還原樣品的化學(xué)特征。

頻率梳必須具備高帶寬，否則只能檢測(cè)化學(xué)化合物的一個(gè)小頻率范圍，這可能導(dǎo)致誤報(bào)或檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。

色散是限制頻率梳帶寬的關(guān)鍵因素。若存在色散，激光譜線的間距會(huì)不均勻，而這與頻率梳的形成原理相悖。

“對(duì)于長波紅外輻射而言，色散現(xiàn)象會(huì)非常顯著，這一問題無法回避，因此我們必須通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)找到補(bǔ)償或抵消色散的方法�！� 慶虎說。

目前許多現(xiàn)有方法要么靈活性不足（無法適用于不同場(chǎng)景），要么無法實(shí)現(xiàn)足夠高的帶寬。

慶虎團(tuán)隊(duì)此前曾針對(duì)另一種類型的頻率梳（利用太赫茲波的頻率梳）解決過色散問題 —— 他們研發(fā)出了雙啁啾鏡（DCM）。

雙啁啾鏡是一種特殊的光學(xué)鏡，具有多層結(jié)構(gòu)，其厚度從一端到另一端逐漸變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種帶有波紋結(jié)構(gòu)的雙啁啾鏡與太赫茲激光器配合使用時(shí)，能有效補(bǔ)償色散。

“我們嘗試借鑒這一技術(shù)，并將其應(yīng)用于紅外頻率梳，但過程中遇到了諸多挑戰(zhàn)�！� 慶虎表示。

由于紅外線的波長是太赫茲波的 1/10，制造這種新型鏡片需要極高的精度。與此同時(shí)，他們還需在整個(gè)雙啁啾鏡表面鍍上一層厚厚的金，以散除激光工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。此外，他們?cè)�先為太赫茲波設(shè)計(jì)的色散測(cè)量系統(tǒng)也無法適用于紅外線（紅外線的頻率約為太赫茲波的 10 倍）。

“我們嘗試實(shí)施這一方案兩年多后，陷入了僵局�！� 慶虎說。

新的解決方案

就在團(tuán)隊(duì)幾乎要放棄之際，他們意識(shí)到了一個(gè)此前被忽略的關(guān)鍵點(diǎn)：他們當(dāng)初設(shè)計(jì)帶有波紋的鏡片，是為了補(bǔ)償太赫茲激光器的能量損耗，但紅外輻射源的能量損耗遠(yuǎn)沒有那么大。

這意味著他們可以采用標(biāo)準(zhǔn)的雙啁啾鏡設(shè)計(jì)來補(bǔ)償色散 —— 這種設(shè)計(jì)與紅外輻射是兼容的。不過，他們?nèi)孕柚圃鞄в谢⌒谓Y(jié)構(gòu)的鏡片層以捕捉激光光束，這使得制造過程比常規(guī)情況難度大得多。

“鏡片的相鄰兩層厚度僅相差幾十納米，這種精度水平使得常規(guī)光刻技術(shù)無法勝任。除此之外，我們還必須在硬度極高的材料堆疊結(jié)構(gòu)上進(jìn)行深度蝕刻。實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵的尺寸要求和蝕刻深度，是解鎖寬帶頻率梳性能的關(guān)鍵�！� 田毅表示。

除了精準(zhǔn)制造雙啁啾鏡外，研究團(tuán)隊(duì)還將該鏡片直接集成到激光器上，使設(shè)備變得極為緊湊。他們還研發(fā)了一種高分辨率的片上色散測(cè)量平臺(tái)，無需龐大的外部設(shè)備。

“我們的方法具有靈活性。只要能利用我們的平臺(tái)測(cè)量出色散情況，就能設(shè)計(jì)并制造出可補(bǔ)償該色散的雙啁啾鏡。” 慶虎補(bǔ)充道。

綜合來看，雙啁啾鏡與片上測(cè)量平臺(tái)的結(jié)合，使研究團(tuán)隊(duì)能夠生成穩(wěn)定的紅外激光頻率梳，其帶寬遠(yuǎn)高于未使用雙啁啾鏡時(shí)的常規(guī)水平。

未來，研究人員計(jì)劃將他們的方法擴(kuò)展到其他激光平臺(tái)，以生成帶寬更寬、功率更高的頻率梳，從而滿足更嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。

“這些研究人員基于集成式空氣 - 電介質(zhì)雙啁啾鏡，研發(fā)出了一種巧妙的納米光子色散補(bǔ)償方案。這種方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)色散的前所未有的控制，能夠在室溫下生成長波紅外波段的寬帶頻率梳。他們的研究為實(shí)用化、芯片級(jí)頻率梳開辟了道路，其應(yīng)用范圍可從化學(xué)傳感延伸到自由空間通信�！� 約翰霍普金斯大學(xué)懷廷工程學(xué)院教授雅各布庫爾金（Jacob B. Khurgin）評(píng)價(jià)道（他未參與該論文的研究）。

這項(xiàng)研究的部分資金來自美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和戈登與貝蒂摩爾基金會(huì)。研究工作的部分環(huán)節(jié)是在麻省理工學(xué)院納米技術(shù)中心（MIT.nano）的設(shè)施中完成的。