据中国激光杂志社网，于2025年07月16日报道，从光纤通信到医疗诊断，可调谐激光器是现代科技的基石。但长久以来，其性能、体积与成本似乎是不可兼得的“鱼与熊掌”。近日，哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）与维也纳工业大学（TU Wien）的研究人员联合开发出一种新型可调谐半导体激光器，有望通过一种极其精巧的芯片级设计，彻底打破这一技术瓶颈。该激光器在简洁的架构中融合了当前先进激光技术的核心优势，具备平滑、可靠且宽范围的波长调谐能力，在高速通信、医疗诊断和气体传感等领域有广泛应用前景。相关研究成果发表在Optica上。

现有技术的“权衡困境”

所谓可调谐激光器，是指其输出光波长可以被改变和控制的激光器，它是从高速通信、医疗诊断到天然气管道安全检测等众多技术领域不可或缺的组成部分。然而，现有的激光技术普遍面临诸多性能上的局限：例如，能够覆盖宽广波长范围的激光器，往往会牺牲每个波长输出的精确度；而能够精确调谐至多种波长的激光器，则因通常需要内置移动部件而变得结构复杂且价格昂贵。

环形阵列：化繁为简的巧妙设计

哈佛大学研发的这款新型可调谐激光器，有望凭借更小的封装尺寸和更高的性价比，在未来取代市场上多种现有产品。该项研究由哈佛大学工程与应用科学学院的Federico Capasso教授与维也纳工业大学的Benedikt Schwarz教授联合领导，两支科研团队已在该领域合作多年。

研究人员最初展示了一种在中红外波段发射光的激光器，这是因为他们采用的架构基于量子级联激光器，而该类激光器通常工作在这一波段。作为1994年量子级联激光器的共同发明者之一，Federico Capasso教授表示：“这项新技术平台通用性极强，这意味着我们将来可以利用它制造出更具商业价值的激光器，比如用于光纤通信、医疗诊断，乃至任何发射可见光的激光设备。”

这款新型激光器的核心由多个微型环形激光器阵列构成，每个环的尺寸略有不同，但它们都连接到同一根波导上。由于尺寸不同，每个环形腔产生不同波长的激光，通过调节输入电流，系统可以实现激光波长的平滑切换。这种巧妙而紧凑的设计不仅确保激光器在任何时刻只发出单一波长的光，还具备良好的环境稳定性，并易于扩展。各个环形激光器既可单独工作，也可同时启用，以增强输出光束的强度。

该论文的共同第一作者、麻省理工学院（MIT）研究生、哈佛大学Capasso实验室的研究人员Theodore Letsou解释说：“通过调节环形谐振器的尺寸，我们可以精确锁定任意所需的谱线和激光发射频率。所有激光器发出的光都会耦合进同一个波导，并形成一束统一的光束。这种设计非常强大，因为它不仅显著拓展了传统半导体激光器的调谐范围，还能通过改变环形半径，精确选择特定波长。”

根除痛点：新架构的内在优势

该研究的共同第一作者、维也纳工业大学的研究生Johannes Fuchsberger补充道：“我们这款激光器最大的优势在于其制造工艺的简洁性——没有任何机械可动部件，制造流程也非常简便，因此最终实现了紧凑的器件尺寸。整个器件是在维也纳工业大学微纳结构中心的洁净室设施中完成制备的。”

此外，该激光器独特的架构还能有效避免光学反馈等常见问题。所谓光学反馈，是指部分激光会反射回光源，从而可能引发系统失稳。由于该激光器的环形腔仅以单一方向（顺时针或逆时针）发射光，因此从根本上消除了反向反射的可能性。

市场前景：迈向商业化的新一代技术

目前，市面上有多种可调谐半导体激光器技术，但它们针对不同应用场景各有优劣，而这款新型环形激光器则有望取而代之。例如，分布式反馈（DFB）激光器能够产生平滑、精确的光束，因此常被用于电信光纤中，以实现长距离光信号传输，但其波长可调谐的范围非常有限。相比之下，外腔（ECL）激光器虽然调谐范围更宽，但其设计复杂且包含活动部件，容易导致激光波长跳变。这类激光器常用于管道泄漏检测等气体传感应用，因为它们能够针对甲烷、二氧化碳等在特定波长上具有吸收特性的气体进行精准探测。

该论文的共同作者还包括Dmitry Kazakov和Rolf Szedlak。据悉，该研究得到了美国联邦资金的支持。整个团队已与哈佛大学技术发展办公室及维也纳工业大学专利与许可管理办公室合作，对相关核心知识产权进行了保护，旨在未来将这项技术推向商业化。