（图片说明：带有弧形辐射部件的 “梳” 的微观视图）
图片说明：该频率梳使用了图中所示的双啁啾镜（DCM），这是一种特殊类型的光学镜，具有多层结构，其厚度从一端到另一端逐渐变化。
图片来源：由研究人员提供

光学频率梳是经过特殊设计的激光，其作用类似于 “尺子”，能够精准且快速地测量特定频率的光。它们可用于以极高精度检测和识别化学物质及污染物。

频率梳非常适合用于远程传感器或便携式光谱仪，因为它们无需复杂的移动部件或外部设备，就能实现对多种化学物质的精准实时监测。

但开发出带宽足够高、可满足这些应用需求的频率梳一直是一项挑战。研究人员通常不得不添加庞大的组件，而这些组件会限制设备的可扩展性和性能。

如今，麻省理工学院的一组研究人员展示了一种紧凑的全集成设备：该设备利用精心设计的镜片，可生成带宽极宽且性能稳定的频率梳。他们研发的这种镜片，再加上片上测量平台，能够提供大规模生产远程传感器和便携式光谱仪所需的可扩展性与灵活性。这一成果有望催生出更精准的环境监测设备，这类设备可从大气中的痕量气体中识别出多种有害化学物质。

“光谱仪的带宽越宽，其性能就越强，但色散问题会成为阻碍。我们将这种限制带宽的最大难题作为研究的核心，通过攻克每一个技术环节，确保频率梳能够稳定工作。” 麻省理工学院电气与计算机科学系杰出教授、电子研究实验室首席研究员、一篇相关开放获取论文的资深作者庆虎（Qing Hu）表示。

该论文的第一作者是 2023 届博士田毅（Tianyi Zeng）；其他作者还包括通用动力任务系统公司的亚马克迪克梅利克（Yamac Dikmelik）、索雷博量子电子公司的谢峰（Feng Xie）与凯文拉斯科拉（Kevin Lascola），以及德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授戴维伯格霍夫（David Burghoff，2009 届理学硕士、2014 届博士）。这项研究成果于今日发表在《光：科学与应用》（Light: Science and Applications）期刊上。

宽带频率梳

光学频率梳会产生一系列等间距排列的激光谱线，这些谱线形似梳子的齿，因此得名 “频率梳”。

科学家可利用多种类型的激光（对应不同波长）生成频率梳。通过使用能产生长波红外辐射的激光（如量子级联激光器），他们可将频率梳用于高分辨率传感与光谱分析。

在双梳光谱技术（DCS）中，一束频率梳的光束直接穿过系统，最终照射到另一端的探测器上；而另一束频率梳的光束则先穿过化学样品，再照射到同一个探测器上。通过对比两束频率梳的探测结果，科学家能够在频率低得多的范围内（该范围内的信号更易分析）精准还原样品的化学特征。

频率梳必须具备高带宽，否则只能检测化学化合物的一个小频率范围，这可能导致误报或检测结果不准确。

色散是限制频率梳带宽的关键因素。若存在色散，激光谱线的间距会不均匀，而这与频率梳的形成原理相悖。

“对于长波红外辐射而言，色散现象会非常显著，这一问题无法回避，因此我们必须通过系统设计找到补偿或抵消色散的方法。” 庆虎说。

目前许多现有方法要么灵活性不足（无法适用于不同场景），要么无法实现足够高的带宽。

庆虎团队此前曾针对另一种类型的频率梳（利用太赫兹波的频率梳）解决过色散问题 —— 他们研发出了双啁啾镜（DCM）。

双啁啾镜是一种特殊的光学镜，具有多层结构，其厚度从一端到另一端逐渐变化。研究人员发现，这种带有波纹结构的双啁啾镜与太赫兹激光器配合使用时，能有效补偿色散。

“我们尝试借鉴这一技术，并将其应用于红外频率梳，但过程中遇到了诸多挑战。” 庆虎表示。

由于红外线的波长是太赫兹波的 1/10，制造这种新型镜片需要极高的精度。与此同时，他们还需在整个双啁啾镜表面镀上一层厚厚的金，以散除激光工作时产生的热量。此外，他们原先为太赫兹波设计的色散测量系统也无法适用于红外线（红外线的频率约为太赫兹波的 10 倍）。

“我们尝试实施这一方案两年多后，陷入了僵局。” 庆虎说。

新的解决方案

就在团队几乎要放弃之际，他们意识到了一个此前被忽略的关键点：他们当初设计带有波纹的镜片，是为了补偿太赫兹激光器的能量损耗，但红外辐射源的能量损耗远没有那么大。

这意味着他们可以采用标准的双啁啾镜设计来补偿色散 —— 这种设计与红外辐射是兼容的。不过，他们仍需制造带有弧形结构的镜片层以捕捉激光光束，这使得制造过程比常规情况难度大得多。

“镜片的相邻两层厚度仅相差几十纳米，这种精度水平使得常规光刻技术无法胜任。除此之外，我们还必须在硬度极高的材料堆叠结构上进行深度蚀刻。实现这些关键的尺寸要求和蚀刻深度，是解锁宽带频率梳性能的关键。” 田毅表示。

除了精准制造双啁啾镜外，研究团队还将该镜片直接集成到激光器上，使设备变得极为紧凑。他们还研发了一种高分辨率的片上色散测量平台，无需庞大的外部设备。

“我们的方法具有灵活性。只要能利用我们的平台测量出色散情况，就能设计并制造出可补偿该色散的双啁啾镜。” 庆虎补充道。

综合来看，双啁啾镜与片上测量平台的结合，使研究团队能够生成稳定的红外激光频率梳，其带宽远高于未使用双啁啾镜时的常规水平。

未来，研究人员计划将他们的方法扩展到其他激光平台，以生成带宽更宽、功率更高的频率梳，从而满足更严苛的应用需求。

“这些研究人员基于集成式空气 - 电介质双啁啾镜，研发出了一种巧妙的纳米光子色散补偿方案。这种方法实现了对色散的前所未有的控制，能够在室温下生成长波红外波段的宽带频率梳。他们的研究为实用化、芯片级频率梳开辟了道路，其应用范围可从化学传感延伸到自由空间通信。” 约翰霍普金斯大学怀廷工程学院教授雅各布库尔金（Jacob B. Khurgin）评价道（他未参与该论文的研究）。

这项研究的部分资金来自美国国防高级研究计划局（DARPA）和戈登与贝蒂摩尔基金会。研究工作的部分环节是在麻省理工学院纳米技术中心（MIT.nano）的设施中完成的。