“指尖”上的高性能超快激光器

基于纳米光子铌酸锂的芯片级超快锁模激光器

激光是观察、探测和测量自然界中我们用肉眼看不到的东西的重要工具。但是，执行这些任务的能力往往受到使用昂贵的大型仪器的需求的限制。

最新发表在《科学》杂志的一篇封面论文中，研究人员Qiushi Guo展示了一种在纳米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法。他的工作集中在小型化锁模激光器上，这是一种独特的激光器，以飞秒为间隔发射一连串超短相干光脉冲，其时间间隔仅为惊人的千万亿分之一秒。

超快锁模激光器对于揭开自然界最快时间尺度的秘密是必不可少的，例如化学反应过程中分子键的建立或破坏，或湍流介质中的光传播。锁模激光器的高速、脉冲峰值强度和宽光谱覆盖也使许多光子技术成为可能，包括光学原子钟、生物成像和使用光计算和处理数据的计算机。

不幸的是，目前最先进的锁模激光器是昂贵的、功率需求高的台式系统，仅限于实验室使用。

纽约市立大学高级科学研究中心光子学计划教师、纽约市立大学研究生中心物理学Guo教授说：“我们的目标是通过将大型实验室系统转变为可以大规模生产和现场部署的芯片尺寸系统，彻底改变超快光子学领域。我们不仅想让东西变得更小，而且还想确保这些超快芯片尺寸的激光器提供令人满意的性能。例如，我们需要足够的脉冲峰值强度，最好超过1瓦，以创建有意义的芯片级系统。”

然而，在芯片上实现有效的锁模激光器并不是一个简单的过程。Guo教授的研究利用了一种新兴的材料平台，即薄膜铌酸锂(TFLN)。这种材料通过施加外部射频电信号，可以对激光脉冲进行非常有效的整形和精确控制。

在他们的实验中，Guo的团队将III-V半导体的高激光增益和TFLN纳米级光子波导的高效脉冲整形能力独特地结合在一起，展示了一种可以发出0.5瓦特高输出峰值功率的激光器。

除了紧凑的尺寸，演示的锁模激光器还表现出许多传统激光器无法企及的有趣特性，为未来的应用提供了深远的意义。

例如，通过调整激光器的泵浦电流，Guo能够精确地调整输出脉冲的重复频率，范围在200 MHz的非常宽的范围内。通过利用演示激光器的强大可重构性，研究小组希望实现芯片级、频率稳定的梳状光源，这对精确传感至关重要。

Guo的团队需要应对额外的挑战，以实现可扩展、集成的、超快的光子系统，这些系统可以转化为便携式和手持设备使用，但他的实验室已经克服了当前演示中的一个主要障碍。

Guo先生说：“这一成就为最终使用手机诊断眼部疾病，分析食物中的大肠杆菌、环境中危险病毒等铺平了道路。它还可以实现未来的芯片级原子钟，在GPS受到威胁或不可用时进行导航。”

审核编辑 黄宇