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芯片激光器已經(jīng)存在多年，但從事精密科學(xué)研究的物理學(xué)家們大多將其擱置一旁。它們產(chǎn)生的脈沖太弱，無法滿足關(guān)鍵工作的需求——而且差距之大，似乎已成定局。

瑞士一所大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)剛剛完成了這項(xiàng)任務(wù)。他們制造的芯片能夠發(fā)射強(qiáng)度極高的脈沖，完成此前任何芯片激光器都無法實(shí)現(xiàn)的功能，而其設(shè)計(jì)靈感卻源自完全不同類型的機(jī)器。

這些機(jī)器產(chǎn)生的閃光極其短暫，持續(xù)時(shí)間僅為千萬億分之一秒。如此高的速度使它們能夠瞬間凍結(jié)化學(xué)反應(yīng)，并以驚人的精度測(cè)量時(shí)間。這類被稱為超快激光器的工具，幾十年來一直在重塑科學(xué)。

多年來，研究人員一直希望在光子芯片上實(shí)現(xiàn)這種能力——這種微型電路可以引導(dǎo)光而不是電。

這項(xiàng)新研究成果來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 ( EPFL ) 物理學(xué)家 Tobias J. Kippenberg 的實(shí)驗(yàn)室，第一作者為邱哲儒。

許多研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將脈沖激光器集成到芯片上，但產(chǎn)生的脈沖非常微弱。一項(xiàng)備受推崇的技術(shù)——將單一顏色暈染成絢麗的彩虹——需要強(qiáng)大的能量，而這些功率不足的芯片無法提供。

早期的芯片設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)室使用的光纖激光器相比存在巨大差距。一項(xiàng)備受關(guān)注的研究雖然能夠產(chǎn)生清晰的脈沖，但功率仍然太弱，無法滿足高強(qiáng)度應(yīng)用的需求。彌合這一差距正是該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)。

他們的答案依賴于一種最初為光纖激光器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)——馬米雪夫振蕩器，以其核心思想的提出者命名。它將光波依次通過兩個(gè)調(diào)諧到略微不同顏色的濾波器。只有純凈、強(qiáng)烈的脈沖光才能完成往返傳輸。

每次循環(huán)都會(huì)將微弱、不規(guī)則的信號(hào)銳化成一次強(qiáng)烈的閃光。持續(xù)運(yùn)行該循環(huán)，激光器就會(huì)自行開始脈沖，無需單獨(dú)的種子激光器來觸發(fā)。

為了增強(qiáng)脈沖的強(qiáng)度，研究團(tuán)隊(duì)用氮化硅（一種能以極低損耗引導(dǎo)光線的玻璃狀材料）制造了電路。他們還在電路中加入了鉺離子——光纖互聯(lián)網(wǎng)中常用的光放大元件。嵌入波導(dǎo)中的這些離子賦予了激光器放大功率。

這些優(yōu)勢(shì)直接體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上。該芯片每秒發(fā)射約1.76億個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖攜帶約十億分之一焦耳的能量——即納焦耳。這與笨重的光纖激光器相當(dāng)，并且比之前的芯片激光器快約100倍。

在此項(xiàng)研究之前，沒有任何芯片激光器能夠達(dá)到如此高的脈沖能量。脈沖寬度可以壓縮至147飛秒，飛秒是十億分之一秒的百萬分之一。更短的脈沖往往會(huì)將能量集中到一個(gè)更強(qiáng)烈的脈沖尖峰中。

光束也保持著規(guī)律性。波峰步調(diào)一致，沒有偏離——這正是精密激光所需要的穩(wěn)定性。嘈雜的光束會(huì)模糊這些儀器必須讀取的信號(hào)。

憑借如此強(qiáng)大的脈沖能量，激光器最終能夠創(chuàng)造出彩虹。光束經(jīng)由同一芯片上的細(xì)光導(dǎo)通道傳輸后，其窄光束會(huì)擴(kuò)散成一條寬廣的光帶，稱為超連續(xù)譜。其寬度超過一個(gè)八度，最高頻率是最低頻率的兩倍以上。

最引人注目的是，這顆芯片無需任何增益放大器。其他系統(tǒng)只有在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上通過額外的放大器將光信號(hào)放大后才能達(dá)到超連續(xù)譜，而這顆芯片的原始輸出功率已經(jīng)足夠強(qiáng)。

這種寬帶光能夠驅(qū)動(dòng)精確的時(shí)間和頻率標(biāo)尺，并實(shí)現(xiàn)對(duì)活體組織內(nèi)部的成像。直接從芯片制造，無需任何后續(xù)的附加組件，這正是以往設(shè)備一直未能實(shí)現(xiàn)的飛躍。

為了展示這種技術(shù)的應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)將芯片連接到太赫茲掃描儀上。太赫茲波介于微波和紅外線之間，能夠穿透紙張和塑料，并從其下方的物質(zhì)反射回來。一篇綜述文章解釋了這種方法如何讀取化學(xué)成分。

這款掃描儀由芯片驅(qū)動(dòng)，覆蓋5太赫茲的頻率范圍，并能接收強(qiáng)度相差十億倍的信號(hào)。這些數(shù)據(jù)足以媲美體積更大的設(shè)備。而這一切，僅僅依靠一塊芯片，而非一整套設(shè)備。

該團(tuán)隊(duì)利用這項(xiàng)技術(shù)在不打開密封樣品的情況下進(jìn)行檢測(cè)，并發(fā)現(xiàn)隱藏的缺陷。通常，這類掃描儀體積龐大，只能在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中使用。而芯片驅(qū)動(dòng)的掃描儀則可以安裝在工廠生產(chǎn)線上或醫(yī)生的推車上。

這項(xiàng)研究的結(jié)論很明確：芯片上的激光器現(xiàn)在可以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的脈沖，驅(qū)動(dòng)那些過去需要臺(tái)式機(jī)器才能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜光學(xué)特效。此前沒有任何集成設(shè)備能夠達(dá)到這樣的水平。

這為擺脫實(shí)驗(yàn)室束縛的儀器打開了大門。一旦光源縮小到芯片級(jí)別，便攜式化學(xué)傳感器和現(xiàn)場(chǎng)掃描儀就將成為現(xiàn)實(shí)。正如最近一篇論文所示，將其他經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室激光器集成到晶圓上的工作也在朝著同樣的方向發(fā)展。

圖中所示的版本目前仍在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，并依賴于獨(dú)立的泵浦源。但最棘手的問題已經(jīng)解決：如何從芯片級(jí)脈沖中獲得足夠的能量，這曾是阻礙該領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。如今，這種房間大小的超快激光器已經(jīng)找到了指甲蓋大小的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

（來源：編譯自earth ）

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