A fully integrated dispersion-managed femtosecond mode-locked laser
本文介绍了一种在氮化硅平台上实现的、全集成且自启动的色散管理超快飞秒锁模激光器，该激光器实现了低重复频率（0.5–1.2 GHz）、亚300 fs脉冲以及超低阈值和卓越的稳定性，从而能够应用于紧凑型、可现场部署的光计量和精密传感领域。
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想象一下，光的世界就像一个巨大而繁忙的管弦乐团。在这个乐团中，“激光”就像一位指挥家，让所有的乐手都在同一时刻演奏完全相同的音符，从而创造出一束纯净且集中的声波。但有时，我们不仅仅想要一个稳定的音符；我们想要一种快速连击的鼓点，一种在眨眼之间就能脉动数千次的超快节奏。这些被称为“飞秒激光器”，它们是背后支撑着从修复视力到以惊人精度测量恒星距离等一切事物背后的秘密武器。
为了让这些激光器变得更加实用，科学家们利用它们来创建“光学频率梳”。请不要把“梳子”想象成你用来梳理头发的东西，而是一把由光构成的尺子。这把尺子的“齿”不是按英寸或厘米间距排列的，而是拥有数千个微小且间距完美的“光之齿”。这把尺子让科学家能够以极高的精度测量时间和距离，从而彻底改变我们的导航、通信以及对宇宙的理解方式。长期以来，最好的尺子是由占据整个实验台的巨大且脆弱的玻璃纤维制成的。它们效果很好，但笨重、昂贵，且对轻微的碰撞极其敏感。现在的科学界面临的一个大问题是：我们能否将这个巨大且脆弱的尺子缩小到计算机芯片的大小，同时又不失去它的超能力？
这正是瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的一个研究团队所实现的。他们制造出了一个全集成、自启动的芯片级激光器，它就像一台高速鼓机。他们成功的秘诀是一个被称为“色散管理”的巧妙技巧。想象一下，你正背着一个沉重且摇晃的背包进行赛跑；如果你跑得太快，背包可能会摆动并把你撞倒。在微型激光器的世界里，“背包”是光脉冲的剧烈能量，而“摆动”则是通常会在激光器跑得足够快之前将其破坏掉的混沌效应。研究人员通过设计一条光传播路径解决了这个问题，这条路径就像过山车一样：他们让光脉冲展开（就像车厢上坡时那样）以使其平复下来，然后又将其压缩回原状（就像车厢冲下坡时那样），从而产生强力的冲击。这种拉伸与压缩的过程在芯片内部周而复始地发生，即使在极高的速度下也能保持脉冲的稳定。
其结果是一个能产生极快光脉冲的微型激光芯片，脉冲频率在每秒0.5到1.2亿次（0.5至1.2 GHz）之间。这些脉冲非常短，仅持续300飞秒（一飞秒是千万亿分之一秒）。真正特别之处在于，它不需要庞大且昂贵的外部电源即可启动。它可以用极低的功率启动，低至27.3毫瓦。由于其效率极高，团队能够将激光芯片及其电源（一个微型泵浦二极管）整合进一个紧凑的单一模块中，只需插在墙上的插座即可使用。这就像是将一台巨大的、房间大小的发电机缩小到了鞋盒大小，但运行起来依然同样平稳。
当他们测试这种新型激光器时，发现它异常稳定。它所创造的“尺子”（频率梳）几乎没有丝毫晃动。事实上，它的稳定性比目前市面上销售的最佳商业激光系统还要高出两百倍，而那些系统通常有小手提箱那么大。这种稳定性并非偶然的运气；研究人员进行了两小时的测量，发现其漂移量小于脉冲频率的1%。他们还展示了该芯片可以通过标准工厂方法进行大规模批量生产，这意味着这些微型、超稳定的激光器最终可以被应用到从便携式医疗设备到监测空气化学变化的现场传感器等各种领域。通过证明你可以在一个微小的芯片上拥有一个强大、超快且能自启动并保持稳定的激光器，这篇论文为高精度光学工具变得像智能手机一样普及和便携的未来打开了大门。
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