研究团队利用时间透镜产生高性能片上飞秒脉冲源

飞秒脉冲激光器以超快的速度发射光，持续时间为十亿分之一秒。它是一种强大的工具，应用范围更是涵盖了医学和制造业、传感和时空的精确测量等广泛的行业与领域。今天，这些激光器通常是昂贵的桌面系统，这限制了它们在有尺寸和功耗限制的应用程序中的使用。

片上飞秒脉冲源将开启量子和光计算、天文学、光通信等领域的新应用。然而，集成可调谐和高效的脉冲激光器到芯片上一直是一个挑战。

来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员利用时间透镜，开发了一种高性能的片上飞秒脉冲源。相关研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上。

图片来源：哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院

海洋工程学院Marko Loncar表示：“脉冲激光器产生高强度的短脉冲，包含多种颜色的宽束光。为了使这些激光光源更加实用，我们决定利用我们开发出来的最先进集成光子学平台，并借助最新方法用来实现传统和大宽束的飞秒源。重要的是，我们的芯片采用了类似于计算机芯片的微加工技术，这不仅确保了成本和尺寸的降低，还提高了飞秒源的性能和可靠性。”

传统镜片（比如隐形眼镜或放大镜和显微镜中的镜片），通过改变相位来弯曲来自不同方向的光线，使它们到达空间中的同一位置——焦点（focal point）。而时间透镜则以类似的方式“弯曲”光束，但它们在时间而不是空间上改变光束的相位。通过这种方式，以不同速度传播的不同颜色的光被重新计时，这些光会同时到达聚焦平面。

为了产生飞秒脉冲，该团队的设备使用了一系列的光波导、耦合器、调制器和光学光栅，该平台由Marko Loncar的实验室率先开发出来。

在这个过程中，该团队首先让连续的单色激光束通过一个振幅调制器，该调制器控制通过时间透镜的光量，这一功能类似于传统透镜的光圈。然后光通过透镜的“弯曲”部分传播，在这种情况下，这是一个相位调制器，在那里产生了不同颜色的频率梳。回到汽车的类比，相位调制器在不同的启动时间创建和释放不同颜色的汽车。

由于该设备控制不同波长的传播速度以及它们到达焦平面的时间，它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，并可以产生520飞秒的超快脉冲。

该设备高度可调，集成到一个2×4mm的芯片上。由于铌酸锂的光电特性，它需要比桌面产品显著更低的功率。

当设备变得更小、更集成时，就能够获得更好的性能。未来，人们或许可以在口袋里携带飞秒脉冲激光器来检测水果的新鲜程度，或者实时跟踪个人的健康状况，或者在车内进行距离测量。

接下来，该团队的目标是探索激光本身和时间透镜技术的一些应用，包括透镜系统（如望远镜）以及超快信号处理和量子网络。

哈佛大学技术发展办公室队Loncar领导的实验室在铌酸锂系统上创新所产生的知识产权进行了保护。Marko Loncar是HyperLight公司的联合创始人，该公司是一家初创公司，旨在将基于他实验室开发的某些创新的集成光子芯片商业化。

这项研究是哈佛大学、HyperLight、哥伦比亚大学和Freedom Photonics公司的合作，并由美国国防高级研究计划局、美国陆军研究办公室、美国海军研究办公室和美国空军科学研究办公室提供支持。