EPFL 科学家利用玻璃基板开发出手掌大小的飞秒激光器

洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员发现，借助玻璃基板可以制造出手掌大小的飞秒激光器。

EPFL Galatea 实验室的科学家在玻璃基板上制作千兆飞秒激光器。图片来源：©2023 EPFL/Jamani Caillet

完全由玻璃构成的飞秒激光器能否成为现实？这个引人入胜的问题让 EPFL Galatea 实验室的负责人伊夫-贝鲁阿（Yves Bellouard）开始了他的研究之旅，在此之前，他已经为实验室实验煞费苦心地校准了多年的飞秒激光器。

Galatea 实验室位于光学、力学和材料科学的交汇处，飞秒激光是 Bellouard 研究的关键组成部分。

飞秒激光能产生令人难以置信的短暂而稳定的激光脉冲，在激光眼科手术、非线性显微镜、光谱学、激光材料加工以及最近的可持续数据存储等各种应用中都能找到它的用武之地。

一般来说，商用飞秒激光器是通过在基板（通常是光学面包板）上组装光学元件及其支架而制成的，因此必须进行细致的光学校准。

我们使用飞秒激光来研究材料的非线性特性以及如何改变材料的体积。通过痛苦的复杂光学对准练习，让你梦想着用更简单、更可靠的方法来对准复杂的光学器件。

伊夫-贝鲁厄，洛桑联邦理工学院 Galatea 实验室主任

Bellouard 和他的团队设计了一种解决方案，利用商用飞秒激光器制作出一种用玻璃制成的紧凑型飞秒激光器，其大小不超过一张标准信用卡，大大降低了对准的难度。他们的研究成果发表在《光学》（Optica）杂志上。

如何用玻璃制造飞秒激光器
研究人员从一块玻璃开始，利用玻璃基板制作飞秒激光器。

我们希望制造稳定的激光器，所以我们使用玻璃，因为玻璃的热膨胀率比传统基底低，是一种稳定的材料，而且对我们使用的激光来说是透明的。

洛桑联邦理工学院 Galatea 实验室主任 Yves Bellouard

研究人员使用商用飞秒激光器在玻璃上雕刻出复杂的沟槽，以便精确放置激光系统所需的关键部件。

尽管在制造过程中达到了微米级的精度，但仅靠沟槽和元件并不能实现激光质量性能所需的对准。简单地说，反射镜没有完全对准，导致玻璃装置在现阶段无法作为激光器使用。

科学家们还根据先前的研究认识到，他们可以局部操纵玻璃的膨胀或收缩。他们决定利用这一技术来微调镜面的排列。

因此，最初的蚀刻工艺专门设计为在装有微机械挠性结构的凹槽中放置一面镜子。这些挠性结构的设计目的是在飞秒激光照射下调整反射镜的位置。

这种创新方法将商用飞秒激光器转化为第二种用途的工具：校准镜子。最终，这一过程产生了稳定的小型飞秒激光器。

这种利用激光与物质的相互作用对自由空间光学元件进行永久对准的方法可扩展到各种光学电路，其对准分辨率极高，可达亚纳米级。

Yves Bellouard，洛桑联邦理工学院 Galatea 实验室负责人

应用及其他
Galatea 实验室正在进行的研究将深入探讨这项技术在量子光学系统组装领域的应用。这一探索旨在突破目前在微型化和精确对准方面所能达到的极限。

目前，对准过程仍需在人工操作员的监督下进行，经过实践，可能需要几个小时才能完成。尽管体积很小，但这种激光器却能产生约一千瓦的峰值功率，并能发出持续时间不到 200 飞秒的脉冲--这一时间几乎不足以让光穿过人的头发。

创新飞秒激光技术将分拆成一家名为 Cassio-P 的新公司，由安托万-德尔戈夫（Antoine Delgoffe）在 Galatea 实验室领导这家企业。德尔戈夫在关键时刻参与了该项目，其具体目标是将概念验证转化为未来可行的商业设备。

Bellouard补充说："飞秒激光器可以自我复制，我们是否已经到了自我克隆制造设备的阶段？

参考资料

Delgoffe, A., et al. (2023) All-glass miniature GHz repetition rate femtosecond laser cavity. Optica. doi.org/10.1364/OPTICA.496503.