高能量脉冲一体化锁模激光器

这篇《自然》文章报道了一种高脉冲能量的集成锁模激光器，可通俗理解为把超短脉冲激光源做在光子芯片上。超快激光已推动眼科手术、化学反应超快动力学观察和光学原子钟等发展；但过去基于光子集成电路的锁模激光器体积虽紧凑、可晶圆级制造并便于片上扩展，却常因单脉冲能量不足而难以直接驱动超连续谱等非线性过程。研究团队通过铒离子注入氮化硅光子集成电路，实现了基于马梅舍夫振荡器架构的集成锁模激光器。马梅舍夫振荡器通过交替光谱滤波和自相位调制形成锁模，能承受较大非线性相移，因此可产生更强的脉冲。该激光器无需外部种子激光，即可输出重复频率为176兆赫兹的脉冲串，单脉冲能量达纳焦量级，与光纤超快激光器相当，比此前的光子集成锁模光源提高约两个数量级。其输出具有良好的相干性，可通过线性色散补偿压缩至147飞秒；同时无需进一步放大，就能直接在氮化硅波导中产生覆盖1.5个倍频程的超连续谱。作者还用这一光源搭建了紧凑型太赫兹时域光谱系统，获得5太赫兹探测带宽和90分贝动态范围，并演示了非接触式化学分析和材料检测。图中依次展示了器件原理与制备、光子集成马梅舍夫振荡器表征、锁模相干性测量、超连续谱产生，以及太赫兹时域光谱应用。实验数据与激光模拟代码公开于数据托管平台 Zenodo。总体而言，这项成果显示集成超快激光器具有从芯片尺度频率计量走向便携式光谱检测系统的潜力。