一種微型芯片大小的設備如果能取代整個實驗台的功能，那將會是怎樣的情況？這正是哈佛大學和維也納科技大學研究人員所開發的新激光技術的核心理念。該團隊成功構建了一款微型賽道激光器，能將強大的氣體檢測系統縮小為便攜式工具。這款新激光器由哈佛約翰·A·保爾森工程與應用科學學院的應用物理學家研製，能在中紅外範圍內產生穩定的頻率梳。這一範圍對於檢測二氧化碳和甲烷等氣體至關重要。
該設備採用基於量子級聯激光的環形賽道設計，光在環路內以極高的速度循環。這一幾何結構有助於激光器生成頻率梳，發出許多均勻間隔的波長。頻率梳為精密測量工具提供動力，讓科學家能夠檢測微小的光吸收變化，這對於環境監測和工業檢測至關重要。然而，工程師在製作這些梳形結構時面臨穩定性和緊湊性方面的挑戰。傳統系統需要笨重的設備，並且對光學反饋非常敏感，微小的反射都會干擾性能。
哈佛團隊通過新架構解決了這一問題。他們將激光器重新設計為封閉回路共振腔，這迫使光只能朝一個方向移動。任何反射的光則會朝相反方向運行並迅速衰減，從而提高穩定性。團隊還引入了一種電子控制方法，將金屬探針連接到芯片上，並使用無線頻率信號驅動激光，該信號與光的往返頻率相匹配。團隊成員表示：「我們實際上是在非常快速地開關激光，從而創造出這種極其穩定的寬帶頻率梳。」
這一方法消除了對外部穩定元件的需求，並在現實條件下提高了可靠性。在測試中，研究人員將光直接反射回激光器。標準系統在這種反饋下會失效，而賽道設計卻能保持穩定輸出。這一突破有可能簡化雙梳光譜儀的使用，這些儀器目前通常需要大型實驗室設置，使用兩個頻率略有不同的激光高靈敏度地分析氣體。通過在單一芯片上集成多個賽道激光器，工程師可以將這一功能縮小至緊湊的形式。
每個激光器可以獨立運行，並使用自己的無線頻率信號，這樣它們可以在不需要笨重光學設備的情況下進行精確測量。這一技術的應用將會影響多個行業，環境監測有望受益於便攜式溫室氣體傳感器，工業廠房則可以獲得實時過程監控工具，醫療診斷方面也可能迎來進步，包括基於呼吸的檢測。
這項研究基於早期的量子級聯激光工作，費德里科·卡帕索（Federico Capasso）及其合作者在幾十年前首次開創了這項技術。這一最新設計將其推向實用和可擴展的應用。如果成功，賽道激光器有望將精密光譜技術從專業實驗室轉移到現場、工廠生產線和臨床環境中。該研究成果已發表在《Optica》期刊上。
