Nature ｜基于时间透镜的飞秒激光器芯片

飞秒脉冲激光器能产生脉冲持续时间超短的强脉冲，其在生物医学、精密制造、时空传感和测量等领域具有重要应用。然而，目前一些台式系统的超快激光器通常价格昂贵、尺寸较大、功耗较高，这些都限制了飞秒激光器的应用范围。与此相比，飞秒脉冲芯片将开启量子和光学计算、天文学、光通信等领域的新应用。然而，如何将可调谐高效脉冲激光器集成到芯片上一直是一个未解决的挑战。

近日，哈佛大学SEAS的研究人员提出了使用时间透镜开发高性能的飞秒脉冲芯片的新方法。相关研究成果已发表于Nature。

SEAS 的研究人员表示，目前产生宽光谱、高强度和短脉冲的激光器体积仍然很大。为了使这些飞秒脉冲源更加实用，他们决定利用开发的最先进的集成光子学平台，使用实现传统的大型飞秒源相同的技术，并缩小激光器的体积。研究中使用的芯片由微加工技术制造，类似于制造计算机芯片的技术。这样，不仅可以降低生产成本和尺寸，还可以提高飞秒源的性能和可靠性。

传统的光学镜片，通过改变波前空间相位来弯曲来自不同方向的光线，使它们到达空间中焦平面上的相同位置。与此相比，时间透镜以类似的方式“弯曲”光束，但不同的是改变光束在时间上而非空间上的相位。通过时间透镜后，不同颜色的光的传播速度被重新设定，以使它们同一时刻到达焦平面。

为了产生飞秒脉冲，该团队Lon?ar 实验室首创的铌酸锂平台上制备了一系列光波导、耦合器、调制器和光栅。

在新方法中，首先连续的单色激光通过一个调幅器，该调幅器控制通过时间透镜的光量，该功能类似于传统透镜中的光圈。然后，光传播通过透镜的“弯曲”部分，即相位调制器，并在此处在不同的时间生成不同颜色的频率梳。激光器的最后一个部分是沿着波导放置的鱼骨形光栅。光栅调控不同颜色的光速度，使不同颜色的光具有相同的群速度，并同时到达焦平面.

新方法控制不同波长传播的速度以及它们到达焦平面的时间，因此能够有效地将连续的单色激光束转换为宽带、高强度脉冲源，并产生脉宽520 fs的超短脉冲串。

时间透镜将单色连续激光转换为超快激光光源

该设备高度可调，集成在尺寸2 cm* 4 mm的芯片上，并且使用了铌酸锂，与台式产品相比，新的激光器所需要的功率大大降低。

本工作证明了集成光子学可以同时改善光子学器件在能耗和尺寸方面的限制。总之，新方法同时解决了能源和空间方面的限制。使用尺寸更小、集成度更高的高性能设备，未来我们可以随身携带飞秒脉冲激光器实现多方面的生活应用，例如检测水果的新鲜度、实时跟踪身体健康状况，或在汽车中进行距离测量。未来，该团队将探索激光本身和时间透镜技术的一些应用，包括在望远镜等透镜系统以及超快信号处理和量子网络中的应用。