尽管尺寸迷你，但性能高：很快，高强度超短激光脉冲将不再需要台式激光设备，芯片形式也将成为可能。物理学家已经成功地将这些强大的锁相激光器缩小到芯片的大小。虽然它适合指尖，但他们的这种微型激光器原型已经可以产生高达0.5瓦的超短激光脉冲。根据“Nature Photonics”团队的说法，在未来，脉冲强度略高于一瓦的飞秒激光器也应该是可能的。
长期以来，激光在日常生活和研究中是不可或缺的，对于脉冲激光器来说尤其如此，它可以产生飞秒和阿秒范围内的超短相干光束脉冲。它们可用于可视化最快的过程，例如化学反应过程、材料中的电子运动或细胞中的信使物质。这种脉冲激光器也用于光子学、量子计算机和量子物理学。
然而，到目前为止，这些激光器价格昂贵、体积庞大且需要大量能量。物理学家已经在量子芯片中制造了带有微彩色激光器、绿色纳米激光器和光子源的芯片。然而，它们要么不能产生超短脉冲，要么对于许多常见应用来说不够强大。
相位耦合是关键
问题在于，为了使激光脉冲达到高强度，尽管它们的持续时间很短，需要一种特殊的过程。在这种模式或相位耦合中，在激光介质中产生的驻光波，即所谓的模式，以这样的方式相互组合，即波峰在一定的时间间隔内相互放大。这会产生一系列超短、规则和强烈的激光脉冲。
“我们的目标是通过将基于实验室的大型激光系统转换为仅芯片大小的激光系统来彻底改变超快光子学领域，”来自加州理工学院的第一作者Qiushi Guo说。这将促进大规模生产，并使脉冲激光器更便宜、更通用。“但要做到这一点，我们必须确保这些超快的芯片大小的脉冲激光器也能提供足够的功率：对于合理使用的芯片激光器，我们需要脉冲峰值强度最好超过一瓦，”郭继续说道。
高脉冲功率，尽管是微型格式
现在，郭和他的团队首次开发出一种非常接近这一目标的锁相脉冲激光器：他们的激光原型尺寸只有1.5毫米。“因此，我们的集成锁相激光器在纳米光子平台上提供了所有先前脉冲激光器的最高能量强度和最高峰值脉冲功率，”该团队说。
新型微脉冲激光器由两个主要部件组成。第一种是由砷化镓制成的激光介质，砷化镓是一种常用于半导体激光器和发光二极管的半导体材料。该激光发射器连接到第二个组件，即发生相位耦合和放大的部分。它由硅背衬和一层薄薄的铌酸锂组成。这种非线性光子晶体包含一个电光相位调制器和一个用作镜子的环形波导。
正如该团队所解释的那样，通过在射频范围内施加电场，可以有针对性地操纵该相位调制器中的激光并捆绑成强大的脉冲。
光子应用的新可能性
其结果是芯片大小的激光器，可产生高功率的超短红外激光脉冲。“除了紧凑的尺寸外，我们的激光器还显示出许多其他有前途的特性，”郭解释说。“例如，我们可以在很宽的范围内自由调整脉冲的重复频率。因此，超短激光脉冲之间的距离可以专门适应相应的应用。
根据物理学家的说法，他们的激光技术为光子应用的小型化开辟了新的可能性。“通过将强大的锁相激光器放在纳米光子芯片上并将其连接到其他组件，我们可以将这种激光应用从米级扩展到芯片尺寸，”Guo的同事Alireza Marandi说。例如，在未来，刚刚获得诺贝尔物理学奖的阿秒激光实验可能会变得更小、更便宜。
但其他应用也可以从芯片级锁相激光器中受益：“在未来，这可以使芯片大小的原子钟或使用智能手机来分析食物和环境因素”郭说。
