激光器通常作为在特定频率稳定输出的高功率源。但是，当激光打开时，如何选择此频率，以及这种一致的传输效果发生的速度有多快？工程师使用太赫兹频率技术已经开始回答这些问题，并且第一次研究这一过程。他们的结果刚刚在Nature Communications上发表，响应的结论将支持半导体激光器的未来发展，包括用于电信系统的半导体激光器。

图1 当激光从一个稳态改变到新的稳态时，波长会发生变化

长期以来人们一直预测，半导体激光器内的工作频率会在几纳秒的时间范围内稳定下来，并且可以在几百皮秒内改变。但是现在没有任何探测器能够精确地测量和证明这一点，并且效果最的测量仅在纳秒时间尺度上实现，这个时间尺度相对于工作频率稳定或者波长改变的时间尺度太窄，无法进一步进行有效分析或用于开发有效的新系统。利兹大学的研究人员与巴黎高等师范大学和位于布里斯班的昆士兰大学的国际同事合作，使用太赫兹频率量子级联激光器和一种称为太赫兹时域光谱的技术来理解这种激光稳定过程。

图2 用于耦合腔激光器的种子注入的实验装置

太赫兹驱动的技术可以在飞秒时间内测量光的波长，从而提供前所未有的细节水平。通过了解激光器内波长变化的速度，以及在极小时间范围内波长改变过程中发生的情况，可以构建更高效的器件和系统。“我们的研究旨在向工程师和开发人员展示注意自己构建系统的哪些地方以提高其性能，”利兹大学太赫兹电子学教授Edmund Linfield教授评论道。利兹大学的响应研究在大学里的太赫兹光子学实验室中进行，该实验室是布拉格材料研究中心的一个分支。

来自利兹大学电子和电气工程学院的Iman Kundu博士是该论文的主要作者，解释了这项研究。他评论道，“现在我们可以看到激光器在如此极小的时间范围内的光子发射细节，可以看到当半导体激光器从一个稳定状态移动到新的稳定状态时，光的波长如何变化。“太赫兹技术在许多行业还没有得到应用，但我们相信这个研究的价值在于能够突出趋势并解释集成光子器件的详细使用，这些器件可用于制药或电子行业中的复杂成像系统。参与这项研究的Linfield教授评论说：“我们正在利用太赫兹技术的高级功能来阐明激光器的运行。我们的研究旨在向工程师和开发人员展示如何在自己的系统中提高性能。通过这样做，我们将提高英国科学和工程基础的全球竞争力。”该研究得到了UKRI下属的工程和物理科学研究委员会（HyperTerahertz计划资助）的支持；皇家学会，沃尔夫森基金会；欧盟的ULTRAQCL拨款和法国国家科学研究中心支持。

Nature Communications论文的审稿意见指出：“实验的观察结果定性地适用于任何多腔频率可调谐激光器，例如具有采样光栅分布式布拉格反射器的激光器，其中频率选择由梳状对准确定的。结果表明，对于任何基于游标选择的频率可调激光器，切换速度很重要，应考虑接通时间的变化。例如，当需要在发射频率之间快速切换时，应该注意设计激光腔，以避免中间梳状对准的方案。总之，文章报告了耦合腔QCL中激光模式之间的动态跳跃和瞬态多模发射到稳态单模发射的时间演变。此外文章还发现，虽然可以通过调谐电流的微小变化来实现单模之间的跳变，但是这种激光器中的稳定时间对每个腔段所支持的频率梳之间的对准更加敏感。”

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