光子学团队开发出适合指尖的高性能超快激光器

激光是观察、探测和测量自然界中肉眼无法看到的事物的重要工具。但执行这些任务的能力常常受到需要使用昂贵且大型仪器的限制。

在《科学》杂志上新发表的封面故事论文中中，研究员郭秋实展示了一种在纳米光子芯片上创建高性能超快激光器的新方法。他的工作重点是小型化锁模激光器，这是一种独特的激光器，能够以飞秒间隔(惊人的万亿分之一秒)发射一系列超短相干光脉冲。

超快锁模激光器对于解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形成或断裂，或者湍流介质中的光传播。锁模激光器的高速、脉冲峰值强度和广谱覆盖范围也使得许多光子技术成为可能，包括光学原子钟、生物成像以及利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、功率要求高的桌面系统，仅限于实验室使用。

“我们的目标是通过将大型实验室系统转变为可以批量生产和现场部署的芯片大小的系统，彻底改变超快光子学领域，”纽约市立大学先进科学研究中心光子学计划的教员和研究员郭说。纽约市立大学研究生中心物理学教授。

“我们不仅希望把东西做得更小，而且还希望确保这些超快芯片尺寸激光器能够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，才能创造有意义的芯片尺寸系统”。

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称为薄膜铌酸锂(TFLN)的新兴材料平台。这种材料可以通过施加外部射频电信号来非常有效地整形和精确控制激光脉冲。

在他们的实验中，郭的团队独特地将III-V族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结合起来，展示了一种可以发射0.5瓦高输出峰值功率的激光器。

除了尺寸紧凑之外，所展示的锁模激光器还表现出许多传统激光器无法达到的有趣特性，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，郭能够在200MHz的宽范围内精确调谐输出脉冲的重复频率。通过利用所演示的激光器的强大可重构性，研究团队希望能够实现芯片级、频率稳定的梳状源，这对于精密传感至关重要。

郭的团队需要解决额外的挑战，以实现可扩展、集成、超快的光子系统，这些系统可以用于便携式和手持设备，但他的实验室通过当前的演示克服了一个主要障碍。

“这一成就为最终使用手机诊断眼部疾病或分析食物和环境中的大肠杆菌和危险病毒等物质铺平了道路，”郭说。“它还可以实现未来芯片级原子钟，在GPS受损或不可用时允许导航。”