北京
這項新進展將復雜的實驗室系統縮小到芯片尺度，為經濟實惠、便攜且可大規模生產的超快激光技術鋪平了道路。
洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員已將超快飛秒激光器集成到光子芯片上。
一個重要的里程碑是，這種微型激光器能與臺式模型相媲美，將1.05納焦的能量壓縮在短暫的147飛秒脈沖中。
“二十多年來，片上高脈沖能量飛秒激光器一直被認為是集成光子學的圣杯，”EPFL的Tobias J. Kippenberg教授說。
“我們的結果表明，這不僅是可能的，而且可以用一種被集成光子學界忽視的、出人意料的優雅架構來實現，”Kippenberg補充道。
光子芯片里程碑
在這項工作中，研究人員利用光子芯片將超快激光器小型化，通過微型波導來引導光，而不是使用龐大的實驗室設備。這些激光器發射出極其精確的光脈沖，持續時間僅為幾百飛秒，即千萬億分之一秒。
這種高速激光對于眼科手術、微加工和原子鐘等先進應用至關重要。
EPFL團隊實現了許多該領域人士認為不可能的事。他們制造出了首個集成芯片級超快激光器，其原始性能可與龐大的臺式前輩相媲美。
為了實現這一目標，EPFL團隊不得不重新思考激光器如何處理光。
光子芯片不像銅導線那樣傳輸電流，而是通過刻在晶圓上的稱為波導的微型通道來引導光。但當你將巨大的激光功率壓縮到比頭發絲還細數千倍的通道中時，光會與自身發生劇烈相互作用。
在標準的激光器設計中，這種結構應力會導致超快脈沖失穩并自行撕裂。
解決方案在于一個被遺忘的、已有數十年歷史的光纖激光器概念：馬梅舍夫振蕩器。
用于GPS和醫學
這種設計就像一個高度選擇性的光子安檢關卡，將光捕獲在激光腔內，位于兩個調諧到完全不同光譜的光學濾波器之間。
弱而混亂的光因為無法通過這兩個屏障而無法通過測試并衰減消失，而高功率脈沖則表現不同。在微小的通道內，強脈沖自然會擴展出很寬的頻譜范圍。這使得光能夠通過這兩個濾波器，循環回來并增加功率。
“這種設計特別有吸引力，因為它不需要任何在這種摻鉺氮化硅芯片上難以制造的組件，”論文共同第一作者Zheru Qiu解釋說。
更棒的是，馬梅舍夫架構實際上依靠那些會破壞其他芯片設計的強光-光相互作用而蓬勃發展。
將42厘米長的激光光路折疊成微觀螺旋結構的意義是巨大的。
有趣的是，這些光子芯片可以像計算機處理器一樣在硅晶圓上大規模生產。一次生產運行可以同時產出超過1000個完全獨立的超快激光器。
以這種規模制造將大幅降低生產成本。千瓦級的峰值功率，曾經要花費數萬美元并占據半個房間，很快就可以部署在經濟實惠的手持設備上。
這項技術可用于各個領域。在不久的將來，環境監測小組可以使用口袋大小的傳感器實時檢測微觀污染物。醫生可以使用手持工具在偏遠村莊進行先進的醫療診斷。
最終，這些微型激光器將為緊湊、高度便攜的原子鐘提供動力——為下一代導航系統鋪平道路，這些系統即使完全脫離衛星GPS也能完美運行。
該研究于6月3日發表在《自然》期刊上。
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