激光芯片，新突破

芯片激光器已经存在多年，但从事精密科学研究的物理学家们大多将其搁置一旁。它们产生的脉冲太弱，无法满足关键工作的需求——而且差距之大，似乎已成定局。

瑞士一所大学的研究团队刚刚完成了这项任务。他们制造的芯片能够发射强度极高的脉冲，完成此前任何芯片激光器都无法实现的功能，而其设计灵感却源自完全不同类型的机器。

这些机器产生的闪光极其短暂，持续时间仅为千万亿分之一秒。如此高的速度使它们能够瞬间冻结化学反应，并以惊人的精度测量时间。这类被称为超快激光器的工具，几十年来一直在重塑科学。

多年来，研究人员一直希望在光子芯片上实现这种能力——这种微型电路可以引导光而不是电。

这项新研究成果来自瑞士洛桑联邦理工学院 ( EPFL ) 物理学家 Tobias J. Kippenberg 的实验室，第一作者为邱哲儒。

许多研究团队已经将脉冲激光器集成到芯片上，但产生的脉冲非常微弱。一项备受推崇的技术——将单一颜色晕染成绚丽的彩虹——需要强大的能量，而这些功率不足的芯片无法提供。

早期的芯片设计与实验室使用的光纤激光器相比存在巨大差距。一项备受关注的研究虽然能够产生清晰的脉冲，但功率仍然太弱，无法满足高强度应用的需求。弥合这一差距正是该团队的目标。

他们的答案依赖于一种最初为光纤激光器设计的结构——马米雪夫振荡器，以其核心思想的提出者命名。它将光波依次通过两个调谐到略微不同颜色的滤波器。只有纯净、强烈的脉冲光才能完成往返传输。

每次循环都会将微弱、不规则的信号锐化成一次强烈的闪光。持续运行该循环，激光器就会自行开始脉冲，无需单独的种子激光器来触发。

为了增强脉冲的强度，研究团队用氮化硅（一种能以极低损耗引导光线的玻璃状材料）制造了电路。他们还在电路中加入了铒离子——光纤互联网中常用的光放大元件。嵌入波导中的这些离子赋予了激光器放大功率。

这些优势直接体现在数据上。该芯片每秒发射约1.76亿个脉冲，每个脉冲携带约十亿分之一焦耳的能量——即纳焦耳。这与笨重的光纤激光器相当，并且比之前的芯片激光器快约100倍。

在此项研究之前，没有任何芯片激光器能够达到如此高的脉冲能量。脉冲宽度可以压缩至147飞秒，飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。更短的脉冲往往会将能量集中到一个更强烈的脉冲尖峰中。

光束也保持着规律性。波峰步调一致，没有偏离——这正是精密激光所需要的稳定性。嘈杂的光束会模糊这些仪器必须读取的信号。

凭借如此强大的脉冲能量，激光器最终能够创造出彩虹。光束经由同一芯片上的细光导通道传输后，其窄光束会扩散成一条宽广的光带，称为超连续谱。其宽度超过一个八度，最高频率是最低频率的两倍以上。

最引人注目的是，这颗芯片无需任何增益放大器。其他系统只有在实验台上通过额外的放大器将光信号放大后才能达到超连续谱，而这颗芯片的原始输出功率已经足够强。

这种宽带光能够驱动精确的时间和频率标尺，并实现对活体组织内部的成像。直接从芯片制造，无需任何后续的附加组件，这正是以往设备一直未能实现的飞跃。

为了展示这种技术的应用，研究团队将芯片连接到太赫兹扫描仪上。太赫兹波介于微波和红外线之间，能够穿透纸张和塑料，并从其下方的物质反射回来。一篇综述文章解释了这种方法如何读取化学成分。

这款扫描仪由芯片驱动，覆盖5太赫兹的频率范围，并能接收强度相差十亿倍的信号。这些数据足以媲美体积更大的设备。而这一切，仅仅依靠一块芯片，而非一整套设备。

该团队利用这项技术在不打开密封样品的情况下进行检测，并发现隐藏的缺陷。通常，这类扫描仪体积庞大，只能在专业实验室中使用。而芯片驱动的扫描仪则可以安装在工厂生产线上或医生的推车上。

这项研究的结论很明确：芯片上的激光器现在可以产生足够强的脉冲，驱动那些过去需要台式机器才能实现的复杂光学特效。此前没有任何集成设备能够达到这样的水平。

这为摆脱实验室束缚的仪器打开了大门。一旦光源缩小到芯片级别，便携式化学传感器和现场扫描仪就将成为现实。正如最近一篇论文所示，将其他经典实验室激光器集成到晶圆上的工作也在朝着同样的方向发展。

图中所示的版本目前仍在实验室运行，并依赖于独立的泵浦源。但最棘手的问题已经解决：如何从芯片级脉冲中获得足够的能量，这曾是阻碍该领域发展的瓶颈。如今，这种房间大小的超快激光器已经找到了指甲盖大小的竞争对手。

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