激光在日常生活中的應用已經變得相對普遍，它同時也能成為觀察、分析和量化自然界中肉眼看不到的事物的重要工具——可惜的是，以往這些任務由于需要使用昂貴的大型儀器，因而受到限制。

來自美國紐約市立大學和美國加州理工學院團隊的科學家團隊實驗證了在納米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法——他們展示了世界首例集成在薄膜鈮酸鋰光芯片上的具有高脈沖峰值功率的電泵浦鎖模激光器。近期，這項研究已作為封面故事發表在《科學》（Science）雜志上。

該團隊領頭人郭秋實表示，該研究是基于小型化鎖模激光器——它會發出獨特的激光，以飛秒的間隔發射出一列超短的相干光脈沖。

超快鎖模激光器在揭示自然界最快時間尺度的奧秘中扮演著核心角色，這包括研究化學反應中分子鍵的形成與破壞，以及探索湍流介質中光傳播的動力學。

正是由于快速脈沖峰值強度和廣泛的光譜覆蓋范圍，鎖模激光器的發展也推動了各種光子學技術的發展，包括光學原子鐘、生物成像和計算機中的基于光的數據計算。

遺憾的是，即便是當下最先進的鎖模激光器，也依然既昂貴又耗電，這導致它們的應用目前仍主要限制在實驗室環境下。

上述團隊的目標是：通過將大型實驗室系統轉變為可以大規模生產和現場部署的芯片大小的系統，徹底改變超快光子學領域。他們僅想把東西做得更小，而且還想確保這些超快芯片大小的激光器提供令人滿意的性能。例如，他們需要足夠的脈沖峰值強度，最好超過1瓦，以打造有意義的芯片級系統。

然而，在芯片上實現和集成高效的鎖模激光器，是一項具有挑戰性的任務。這項研究使用了薄膜鈮酸鋰（TFLN），一種創新的材料平臺。使用這種材料，就可以通過添加外部射頻電信號，來精確控制和有效地形成激光脈沖。

在他們的實驗中，郭的團隊巧妙地將III-V半導體的高激光增益特性與TFLN納米光子波導的高效脈沖整形能力結合在一起，最終展示了一種輸出峰值功率高達0.5瓦的激光器。

除了緊湊的尺寸外，他們展示的鎖模激光器還具備諸多令人興奮的新特性，能夠為未來的應用帶來巨大的希望。

例如，通過精確調整激光器的泵浦電流，Guo實現了在200兆赫的廣泛范圍內微調輸出脈沖重復頻率的能力。利用該演示激光器的強大可重構性，研究團隊希望促進芯片級、頻率穩定的梳狀源，這對精密傳感應用至關重要。

雖然實現適用于便攜式和手持設備的可擴展、集成、超快光子系統給郭的團隊帶來了額外的挑戰，但目前的演示標志著克服主要障礙的一個重要里程碑。

這一成就為使用手機診斷眼病或分析食物和環境中的大腸桿菌和危險病毒鋪平了道路。它還可以幫助打造出未來的芯片級原子鐘，在GPS受損或無法使用時實現導航。

科學家們通過這次最新的演示克服了一個重大障礙。盡管如此，科學家們現在正期待著解決開發可擴展、集成、超快光子系統的額外障礙，這些系統可能會被用于便攜式和手持設備上。








審核編輯：劉清