光子学团队开发出可置于指尖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。资料来源：Alireza Marandi

激光是观察、探测和测量自然界中我们肉眼无法看到的事物的重要工具。但是，由于需要使用昂贵的大型仪器，执行这些任务的能力往往受到限制。

在《科学》（Science）杂志最新发表的一篇封面论文中，研究员郭秋实（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。他的研究重点是将锁模激光器微型化--这是一种独特的激光器，能以飞秒级的时间间隔发射一连串超短相干光脉冲，也就是惊人的四十亿分之一秒。

超快锁模激光器是揭开自然界最快时间尺度秘密不可或缺的工具，例如化学反应中分子键的生成或断裂，或者光在湍流介质中的传播。此外，锁模激光器的高速、脉冲峰值强度和宽光谱覆盖范围也使许多光电子技术得以实现，包括光学原子钟、生物成像以及利用光来计算和处理数据的计算机。

遗憾的是，最先进的锁模激光器目前还是昂贵、耗电的台式系统，仅限于实验室使用。

"我们的目标是彻底改变超快光子学领域，将基于实验室的大型系统转变为可大规模生产和现场部署的芯片级系统，"纽约市立大学先期科学研究中心光子学计划教员、纽约市立大学研究生中心物理学教授郭说。

"我们不仅要把东西做得更小，还要确保这些超快芯片级激光器能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。郭的研究利用了一种被称为薄膜铌酸锂（TFLN）的新兴材料平台。这种材料可以通过外部射频电信号对激光脉冲进行高效整形和精确控制。

在实验中，Guo 的团队将 III-V 族半导体的高激光增益与 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，展示了一种能发出 0.5 瓦高输出峰值功率的激光器。

除了体积小巧之外，所展示的锁模激光器还表现出许多传统激光器无法企及的迷人特性，为未来的应用提供了深远的影响。例如，通过调节激光器的泵浦电流，Guo 能够在 200 MHz 的极宽范围内精确调节输出脉冲的重复频率。通过利用所展示激光器的强大可重构性，研究团队希望实现芯片级频率稳定的梳状光源，这对精密传感至关重要。

郭的团队还需要解决更多的挑战，以实现可扩展、集成的超快光子系统，并将其应用于便携式和手持式设备，但他的实验室通过目前的演示克服了一个主要障碍。

"这项成果为最终使用手机诊断眼疾或分析食物和环境中的大肠杆菌和危险病毒铺平了道路，"郭说。"它还可以实现未来芯片级原子钟，从而在全球定位系统受到破坏或无法使用时实现导航。
 

参考资料

Qiushi Guo et al, Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adj5438. www.science.org/doi/10.1126/science.adj5438

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