（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鏡，具有多層結構，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

光學頻率梳是經過特殊設計的激光，其作用類似于 “尺子”，能夠精準且快速地測量特定頻率的光。它們可用于以極高精度檢測和識別化學物質及污染物。

頻率梳非常適合用于遠程傳感器或便攜式光譜儀，因為它們無需復雜的移動部件或外部設備，就能實現對多種化學物質的精準實時監(jiān)測。

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

如今，麻省理工學院的一組研究人員展示了一種緊湊的全集成設備：該設備利用精心設計的鏡片，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，再加上片上測量平臺，能夠提供大規(guī)模生產遠程傳感器和便攜式光譜儀所需的可擴展性與靈活性。這一成果有望催生出更精準的環(huán)境監(jiān)測設備，這類設備可從大氣中的痕量氣體中識別出多種有害化學物質。

“光譜儀的帶寬越寬，其性能就越強，但色散問題會成為阻礙。我們將這種限制帶寬的最大難題作為研究的核心，通過攻克每一個技術環(huán)節(jié)，確保頻率梳能夠穩(wěn)定工作�！� 麻省理工學院電氣與計算機科學系杰出教授、電子研究實驗室首席研究員、一篇相關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力任務系統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），以及德克薩斯大學奧斯汀分校助理教授戴維伯格霍夫（David Burghoff，2009 屆理學碩士、2014 屆博士）。這項研究成果于今日發(fā)表在《光：科學與應用》（Light: Science and Applications）期刊上。

寬帶頻率梳

光學頻率梳會產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”。

科學家可利用多種類型的激光（對應不同波長）生成頻率梳。通過使用能產生長波紅外輻射的激光（如量子級聯激光器），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（DCS）中，一束頻率梳的光束直接穿過系統，最終照射到另一端的探測器上；而另一束頻率梳的光束則先穿過化學樣品，再照射到同一個探測器上。通過對比兩束頻率梳的探測結果，科學家能夠在頻率低得多的范圍內（該范圍內的信號更易分析）精準還原樣品的化學特征。

頻率梳必須具備高帶寬，否則只能檢測化學化合物的一個小頻率范圍，這可能導致誤報或檢測結果不準確。

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

“對于長波紅外輻射而言，色散現象會非常顯著，這一問題無法回避，因此我們必須通過系統設計找到補償或抵消色散的方法�！� 慶虎說。

目前許多現有方法要么靈活性不足（無法適用于不同場景），要么無法實現足夠高的帶寬。

慶虎團隊此前曾針對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鏡，具有多層結構，其厚度從一端到另一端逐漸變化。研究人員發(fā)現，這種帶有波紋結構的雙啁啾鏡與太赫茲激光器配合使用時，能有效補償色散。

“我們嘗試借鑒這一技術，并將其應用于紅外頻率梳，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，他們還需在整個雙啁啾鏡表面鍍上一層厚厚的金，以散除激光工作時產生的熱量。此外，他們原先為太赫茲波設計的色散測量系統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

就在團隊幾乎要放棄之際，他們意識到了一個此前被忽略的關鍵點：他們當初設計帶有波紋的鏡片，是為了補償太赫茲激光器的能量損耗，但紅外輻射源的能量損耗遠沒有那么大。

這意味著他們可以采用標準的雙啁啾鏡設計來補償色散 —— 這種設計與紅外輻射是兼容的。不過，他們仍需制造帶有弧形結構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)光刻技術無法勝任。除此之外，我們還必須在硬度極高的材料堆疊結構上進行深度蝕刻。實現這些關鍵的尺寸要求和蝕刻深度，是解鎖寬帶頻率梳性能的關鍵。” 田毅表示。

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

“我們的方法具有靈活性。只要能利用我們的平臺測量出色散情況，就能設計并制造出可補償該色散的雙啁啾鏡�！� 慶虎補充道。

綜合來看，雙啁啾鏡與片上測量平臺的結合，使研究團隊能夠生成穩(wěn)定的紅外激光頻率梳，其帶寬遠高于未使用雙啁啾鏡時的常規(guī)水平。

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

“這些研究人員基于集成式空氣 - 電介質雙啁啾鏡，研發(fā)出了一種巧妙的納米光子色散補償方案。這種方法實現了對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。他們的研究為實用化、芯片級頻率梳開辟了道路，其應用范圍可從化學傳感延伸到自由空間通信�！� 約翰霍普金斯大學懷廷工程學院教授雅各布庫爾金（Jacob B. Khurgin）評價道（他未參與該論文的研究）。

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