几十年来，超快速激光一直是现代光学中最强大的工具之一。它们的脉冲持续仅几百个飞秒，即万亿分之一秒，从而启用了从精密制造和眼部手术到光学频率梳复等多种技术，后者是一项获得诺贝尔奖的创新，使世界上最精确的光学原子钟得以运作。尽管其重要性，这些激光大多仍然是大型、昂贵的系统，占据整个光学桌面。现在，由洛桑联邦理工学院的托比亚斯·J·基佩本教授领导的研究人员实现了一项突破，这可能会显著缩小该技术。该团队在《自然》杂志上报告了首个集成超快速激光，能够与传统的台式飞秒激光匹敌。该设备提供1.05纳焦耳的脉冲能量和短至147飞秒的脉冲持续时间，所有这些都来自一个光子芯片。 将超快速激光带入光子芯片 光子芯片通过称为波导的微小结构来操控光，这些波导被刻蚀在晶圆上。与电子芯片引导电信号的方式类似，光子芯片引导和处理光。这些芯片在电信中已经得到了广泛应用，并帮助将许多以前需要更大设备的光学技术小型化。基佩本说：“在过去二十多年里，芯片上的高脉冲能量飞秒激光被广泛认为是集成光子学的圣杯。我们的结果显示这不仅可行，而且可以通过一种令人惊讶的优雅架构来实现，而集成光子学界曾经对此视而不见。” 一种被忽视的激光设计实现了目标 为了实现这一成就，研究人员采用了一种称为Mamyshev振荡器的激光架构，这一设计在集成光子学中受到的关注相对较少。该系统在两个光学滤波器之间放置了一个非线性波导，每个滤波器传输光谱的不同部分。当强激光脉冲通过波导传播时，脉冲扩展成更广泛的颜色范围。扩展的脉冲的一部分可以通过两个滤波器并继续在激光腔内循环。而较弱的光则表现得不同。因为它没有扩展足够，所以被滤波器阻挡并从循环中移除。论文的共同第一作者久哲如解释说：“这种设计特别有吸引力，因为它不需要在这种掺铒硅氮化物芯片上制作任何难以制造的组件。”根据久的说法，该设计还提供了另一个主要优势。光子芯片将光限制在极小的波导中，导致光与自身强烈相互作用。在许多激光架构中，这些非线性效应会使激光脉冲不稳定。然而，Mamyshev振荡器对这些问题的敏感度更低，使其特别适合于集成光子设备。 微小设备，巨大的潜力 激光腔长度为42厘米，但它可以折叠到占据大约火柴头面积的芯片上。这使得它比传统的光纤超快速激光小得多。由于光子芯片可以采用类似于计算机芯片的工艺在晶圆规模上制造，因此可能同时生产超过1000个激光腔。这个制造优势可能显著降低超快速激光的成本，同时扩大其在传感、光谱学和精密测量应用中的可用性。久说：“凭借千瓦级的峰值功率，该芯片可以驱动长期依赖大型、昂贵实验室激光的苛刻应用。”研究人员相信，该技术最终可能导致用于检测环境污染、识别材料中的隐性缺陷和进行医疗诊断的便携式和经济型设备。它还可能为未来的通信和导航系统中发挥重要作用的紧凑型光学原子钟铺平道路。这项工作涉及来自洛桑联邦理工学院电气与微工程学院和德累斯顿-罗斯道夫赫尔姆霍茨中心（HZDR）的研究人员。