中红外量子级联激光频率梳宽增益与高光学非线性的优化

中红外量子级联激光器（QCLs）是一种紧凑高效的源，非常适用于双梳光谱等分子光谱应用。然而，尽管QCL频率梳器件已历经十余年的积极发展，其带宽仍局限于约$100$ cm$^{-1}$，严重限制了其在多种气体、液体和固体传感中的应用。尽管已有极宽增益QCL的报道，但这些器件未能改善梳带宽，其主要限制在于增益和色散随频率的变化。完全平坦的增益谱可缓解此问题，因为在增益钳制时克服损耗所需的色散以及参量增益均消失。另一方面，梳的形成依赖于四波混频这一三阶非线性过程，而该过程在QCL中非常强。由于这些器件的子带特性，该非线性可被设计并增强以促进梳的形成。在本工作中，我们提出了优化设计，其具有宽且平顶的增益谱，跨度达220 cm$^{-1}$，且四波混频（FWM）非线性比典型的束缚到连续态QCL设计强达30倍。该优化采用具有高预测能力的非平衡格林函数模型，并遵循增益和电流密度的约束，从而确保器件的高效性。这种高非线性与适中、可饱和增益的结合，可能允许在QCL中产生非经典光。另一方面，将QCL梳的光谱带宽加倍，将是迈向复杂气体混合物和液体高速光谱分析的一大步。