Amplitude- and frequency-modulated combs from an actively locked metasurface external-cavity laser
本文提出了一种主动锁定的太赫兹超表面垂直腔面发射激光器（VECSEL），该器件通过色散工程和射频偏置调制，实现了在锁模脉冲与频率调制量子行走梳之间的可逆切换，为太赫兹波段的可按需梳控制提供了一个通用的平台。
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想象一个光不仅仅是在闪耀，而是在进行完美、有节奏律动的舞蹈的世界。在物理学领域，有一种特殊类型的光被称为“光学频率梳”。你可以把它想象成一把由光构成的尺子，它不是单一的光束，而是由数百条微小且间距完美的激光线共同吟唱。科学家们之所以喜爱这些频率梳，是因为它们可以作为测量时间和距离的超精密时钟，这对于从观测遥远行星到利用光进行疾病诊断等各种领域都至关重要。但制造这些频率梳，尤其是在“太赫兹”（一种位于微波和红外线之间的不可见光类型）范围内，是非常困难的。这就像是试图让一百位音乐家在没有指挥的情况下实现完美的同步；如果时机稍有偏差，音乐就会变成混乱的噪音。面临的巨大挑战在于，如何找到一种方法来控制这些“光之音乐家”，使它们能够根据需求在不同的“乐曲”（工作模式）之间切换，而不是困在只演奏一种曲调的状态中。
这篇论文讲述了一个团队构建了一个能够实现这一目标的特殊激光引擎的故事。他们采用了一种名为“超表面垂直外部腔面发射激光器”（简称 VECSEL）的设备——这基本上是一种由微型工程结构组成的高功率、高质量光源——并教会了它如何在这两种截然不同的“舞蹈”之间切换。一种是“频率调制”之舞，光的音高像警笛一样平滑、可预测地上下波动；另一种是“幅度调制”之舞，光快速地开启和关闭，产生短促、尖锐的能量爆发。
其中的秘诀是什么？团队意识到，光在其中跳跃的“房间”（激光腔）存在一些糟糕的声学问题。具体来说，光受到了被称为“三阶色散”现象的干扰，这就像是一个回声会让音符听起来跑调且跳跃的音乐厅。为了修复这个问题，他们将激光器的后镜更换为一个名为吉雷斯-图诺干涉仪（GTI）的可调谐镜。这个镜子就像一名音响工程师，通过微调回声，让光的音符完美对齐。
有了这个新镜子，激光器可以做出惊人的表现。当他们降低功率并调整设置时，光进入了一种平稳、摇摆的“量子行走”状态。这种状态非常稳定，光的频率呈现出完美的半余弦曲线，就像一个轻轻摆动的钟摆。但当他们将射频（RF）调制功率提高到强劲的 +35 dBm 时，激光器完全切换了档位。它开始喷射出极其短促的光脉冲。如果没有这个特殊的镜子，这些脉冲会比较长且杂乱，持续约 37 皮秒（一个皮秒是万亿分之一秒）。但有了这个纠正色散的镜子，团队成功将这些脉冲压缩到了仅 3.5 皮秒。这就像是将一个缓慢滚动的波浪变成了一个闪电般迅捷的脆响。
论文展示了通过精心设计镜子并调整电偏置，他们可以拨动开关，让激光器表现得像平滑的波浪或快速脉冲机器。他们使用 SWIFT 光谱技术测量了这些变化，证实了光确实是以高度相干、同步的方式运行的。研究人员指出，这种根据需求在这些状态之间切换的能力，使他们的激光器成为一种非常灵活的工具。虽然他们没有解决世界上所有的难题，但他们证明了这种特定类型的激光器可以用高精度进行控制，为太赫兹范围内的传感和通信提供了更好的工具。核心结论是，通过修复激光腔的“声学”问题，他们将一个顽固的单音乐器变成了一台既能演奏柔和旋律又能演奏急促鼓点的多功能音乐机器。
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