2026年3月31日——由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）和维也纳技术大学的应用物理学家们开发的新型微型激光光源，有望将实验室级光谱仪（环境气体精密分析的重要工具）的功率集成到单个微型芯片上。

这种环形“赛道式”量子级联激光器能在电磁光谱中难以探测的中红外区域产生一种称为频率梳的特殊光源。该设备由应用物理学罗伯特·L·华莱士讲席教授、电气工程文顿·海斯高级研究员费德里科·卡帕索实验室与维也纳技术大学的共同资深作者本尼迪克特·施瓦茨及其同事合作开发。

研究由卡帕索团队博士后研究员、第一作者泰德·莱索与维也纳技术大学研究生约翰内斯·富克斯伯格共同领导，成果发表于《光学》期刊。

频率梳（现代诺贝尔奖课题，现用于无数高精度光学测量工具）是一种能发射数百或数千种完美等间距色光的激光器，形似“梳子”。在中红外波长范围制造频率梳是现代气体传感应用的基础，因为二氧化碳和甲烷等分子在此区域留下最强的吸收特征。

但要使这种梳状光源保持高亮度、稳定性和小型化是长期存在的工程挑战。目前它们多由对光反馈敏感的传统激光器产生，需要笨重的稳定设备。

本质稳定的频率梳

哈佛团队的新设备通过产生无需外部移动部件、本质稳定的频率梳，为微型化开辟了道路。基于卡帕索等人首创的精密层状半导体激光器——量子级联激光器基本架构，该团队将其重新设计为赛道形光学环形谐振器。光以每秒约150亿次的速率在此环路中循环。

关键创新在于迫使激光形成频率梳的方式：研究人员将金属探针连接至芯片，用与光往返频率匹配的射频信号电驱动激光器，使其锁定电子信号形成梳状光谱。

“我们实际上是在极快速地开关激光器，”莱索解释道，“这种操作产生了极其稳定、宽频的频率梳。”

双梳光谱仪应用前景

这项新技术最终可应用于目前占地数米、功能强大但结构复杂的双梳光谱仪。该技术通过两束频率间隔略有差异的激光相互干涉，可灵敏检测微量气体，生成更易测量的射频音调集。

传统半导体频率梳通常由双向发射的直条状激光器产生，这种对称性使其对光反馈异常敏感——镜片、透镜甚至不平整表面的杂散反射都会破坏梳状稳定性，迫使工程师在系统中加入大型光学隔离器。

哈佛团队的赛道设计通过单向传播（光仅沿顺时针或逆时针方向循环）解决了该问题。任何反射回芯片的光被迫反向传播且无法获得增益，会迅速衰减而非破坏梳状光谱。卡帕索团队此前已证明该架构可产生包括孤子（高强度光脉冲）在内的其他类型频率梳。

为验证效果，研究人员特意在芯片前放置小镜子制造最大反射反馈（这种极端情况会轻易摧毁标准频率梳），但赛道激光器的梳状光谱仍保持基本不变。

通过证明单个赛道激光器能稳定产生抗反馈的明亮电控频率梳，该研究清除了下一代双梳光谱仪的主要障碍。理论上，多个赛道激光器与耦合器可并排集成于同一半导体芯片，各自由独立射频信号驱动，形成技术所需的两套梳状光源。未来或可开发用于温室气体监测、工业流程监控甚至呼吸分析等医疗诊断的紧凑型传感器。