指尖大小的超快激光器可帮助科学家以最快时间尺度观察自然界

指尖大小的超快激光器可帮助科学家以最快时间尺度观察自然界激光器是观察、探测和测量自然界中我们肉眼无法看到的事物的重要工具。然而，由于需要使用昂贵的大型仪器，执行这些任务的能力往往受到限制。在《科学》（Science）杂志最新发表的一篇封面论文中，研究员郭秋实（QiushiGuo）展示了一种在纳米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法。这种独特的激光器能以飞秒级的时间间隔发射一连串超短相干光脉冲，也就是惊人的四十亿分之一秒。基于纳米光子铌酸锂的芯片级超快锁模激光器。资料来源：AlirezaMarandiUltrafastmode-lockedlasers（超快锁模激光器）是揭开自然界最快时间尺度秘密不可或缺的工具，例如化学反应中分子键的生成或断裂，或者光在湍流介质中的传播。此外，锁模激光器的高速度、脉冲峰值强度和宽光谱覆盖范围也使许多光子学技术得以实现，包括光学原子钟、生物成像以及利用光来计算和处理数据的计算机。遗憾的是，最先进的锁模激光器目前都是昂贵、耗电的台式系统，仅限于实验室使用。"我们的目标是彻底改变超快光子学领域，将基于实验室的大型系统转变为可大规模生产和现场部署的芯片级系统，"纽约市立大学先期科学研究中心光子学计划教员、纽约市立大学研究生中心物理学教授郭秋实说。"我们不仅要把东西做得更小，还要确保这些超快芯片级激光器能提供令人满意的性能。例如，我们需要足够的脉冲峰值强度，最好超过1瓦特，以创建有意义的芯片级系统"。然而，在芯片上实现有效的锁模激光器并不是一个简单的过程。郭的研究利用了一种被称为薄膜铌酸锂（TFLN）的新兴材料平台。这种材料可通过外部射频电信号实现激光脉冲的高效整形和精确控制。在他们的实验中，郭秋实的团队将III-V族半导体的高激光增益与TFLN纳米级光子波导的高效脉冲整形能力独特地结合在一起，展示了一种可发出0.5瓦高输出峰值功率的激光器。除了体积小巧之外，所演示的锁模激光器还表现出许多传统激光器无法企及的迷人特性，为未来的应用提供了深远的影响。例如，通过调节激光器的泵浦电流，郭能够在200MHz的极宽范围内精确调节输出脉冲的重复频率。通过利用所展示激光器的强大可重构性，研究团队希望实现芯片级频率稳定的梳状光源，这对精密传感至关重要。郭的团队还需要解决更多的挑战，才能实现可扩展、集成的超快光子系统，并将其应用于便携式和手持式设备，但他的实验室已经通过目前的演示克服了一个主要障碍。这项成果为最终使用手机诊断眼疾或分析食物和环境中的大肠杆菌和危险病毒铺平了道路，它还可以实现未来芯片级原子钟，从而在全球定位系统受到破坏或无法使用时进行导航。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399767.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399767.htm

研究人员创造新型铌酸锂-氮化硅激光器

研究人员创造新型铌酸锂-氮化硅激光器铌酸锂是一种经常被用于光学调制器的材料，用于调节通过设备传输的光的频率或强度。因其管理大量光功率的能力和高"波克尔斯系数"而受到高度重视。这使得该材料在被施加电场时能够改变其光学特性。研究人员通过将铌酸锂与氮化硅相结合实现了他们的突破，这使他们能够生产一种新型的混合集成可调谐激光器。为此，该团队在EPFL制造了基于氮化硅的光的集成电路（"光子集成电路"），然后在IBM将其与铌酸锂晶圆粘合在一起。该研究中开发的芯片。资料来源：GrigoriiLikhachev(EPFL)这种方法产生了一种具有低频率噪声（衡量激光器频率稳定程度的标准）的激光器，同时具有快速的波长调谐功能--这对于用于光探测和测距（LiDAR）应用的激光器来说都是很好的品质。然后，他们进行了一个光学测距实验，用该激光器高精度地测量距离。除了集成激光器，该混合平台还有可能实现用于电信的集成收发器以及用于量子计算的微波-光学传感器。领导该项目的EPFL方面的TobiasJ.Kippenberg教授说："这项成果的显著之处在于，该激光器同时提供了低相位噪声和每秒百万赫兹的快速调谐，这是以前从未用这种芯片级集成激光器实现的。"这项研究得到了地平线2020框架计划、瑞士国家科学基金会和空军科学研究办公室的资助。芯片样品是在EPFL的微纳技术中心（CMi）和IBM研究院的Binnig和Rohrer纳米技术中心（BRNC）制作的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356589.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356589.htm

首款可见光波长飞秒光纤激光器研制成功

首款可见光波长飞秒光纤激光器研制成功研究人员开发出了第一台可以在电磁波谱可见光范围内产生飞秒脉冲的光纤激光器。图片来源：JérômeLapointe克服光纤激光器开发中的挑战从历史上看，实现可见飞秒脉冲需要复杂且本质上低效的设置。尽管光纤激光器由于其坚固性/可靠性、占地面积小、效率高、成本低和亮度高而成为一种非常有前途的替代方案，但到目前为止，还不可能产生持续时间为飞秒（10-15s)直接使用此类激光器进行测距。加拿大拉瓦尔大学研究团队负责人RéalVallée表示：“我们在可见光谱中演示的飞秒光纤激光器为新型可靠、高效和紧凑的超快激光器铺平了道路。”新型光纤激光器的技术细节研究人员在Optica出版集团的《光学快报》杂志上描述了他们的新型激光器，该激光器基于稀土掺杂氟化物光纤。该激光器发射波长为635nm的红光，可实现持续时间为168fs、峰值功率为0.73kW、重复率为137MHz的压缩脉冲。使用商用蓝色激光二极管作为光源或泵浦源，有助于使整体设计坚固、紧凑且经济高效。研究小组成员包括RéalVallée、Marie-PierLord、MichelOlivier以及未在合影中的MartinBernier。图片来源：JérômeLapointe参与该项目的博士生Marie-PierLord表示：“如果在不久的将来能够实现更高的能量和功率，许多应用都可以从这种类型的激光器中受益。潜在的应用包括高精度、高质量的生物组织消融和双光子激发显微镜。飞秒激光脉冲还允许在材料加工过程中进行冷烧蚀，这一过程可以[比长脉冲]进行更干净的切割，因为它不会产生热效应。”扩展光纤激光器的光谱范围在光纤激光器中，掺杂稀土元素的光纤充当激光介质。尽管光纤激光器是最简单、坚固且可靠的高亮度激光系统之一，但石英光纤的使用往往将其限制在近红外光谱区域。Vallée的团队一直致力于通过使用由氟化物而不是二氧化硅制成的光纤来扩展这些激光源的光谱范围。“我们之前专注于开发中红外光纤激光器，但最近对可见光纤激光器产生了兴趣，”洛德说。“虽然此类激光器缺乏紧凑高效的泵浦源，长期以来阻碍了其发展，但最近出现的蓝色光谱半导体激光源为高效可见光纤激光器的开发提供了关键技术。”在展示了连续发射可见波长的光纤激光器后，研究人员希望将这一进展扩展到超快脉冲源。得益于氟化物光纤制造工艺的改进，现在可以获得镧系元素掺杂光纤，其特性对于开发高效可见光纤激光器至关重要。创新和未来方向Vallée团队开发的新型脉冲光纤激光器将稀土掺杂氟化物光纤与商用蓝色二极管泵浦激光器相结合。为了产生和维持脉冲输出，研究人员还必须弄清楚如何仔细管理光纤中的光偏振。“开发新波长的激光器，其中光学元件的材料特性与以前使用的不同，有时可能会很棘手，”合著者米歇尔·奥利维尔（MichelOlivier）说。“然而，我们的实验表明，我们的激光器的性能与我们的模拟非常吻合。这证实了该系统表现良好且易于理解，并且该系统的重要参数已正确表征并且非常适合脉冲激光器，尤其是我们使用的光纤的特性。”接下来，研究人员希望通过使装置完全一体化来改进技术，这意味着各个光纤尾纤光学元件将直接相互粘合。这将减少装置的光学损耗，提高效率，并使激光器更加可靠、紧凑和坚固。他们还在研究提高激光器脉冲能量、脉冲持续时间和平均功率的不同途径。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400663.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400663.htm

中国科学家研发出全球最薄光学晶体：转角菱方氮化硼

中国科学家研发出全球最薄光学晶体：转角菱方氮化硼这是世界上已知最薄的光学晶体，能效相较于传统晶体提升了100至1万倍，为新一代激光技术奠定理论和材料基础。光学晶体可实现频率转换、参量放大、信号调制等功能，是激光技术的“心脏”，而激光技术是我们当前科技文明的基石，在微纳加工、量子光源、生物监测等领域大放光彩。据悉，集成化、微型化、多功能化是未来激光器的发展方向，但传统光学晶体很难在有限厚度内高效产出激光，因此制备更轻薄的光学晶体成为各国科学家竞相研发的焦点。“转角菱方氮化硼”的研发将极大地推动我国新一代集成化激光技术的发展，未来有望在光刻机等微纳加工设备上带来激光技术的新突破。目前，研究团队已与国内激光器公司合作，并成功研发了新一代的全光纤激光器，同时与用户单位合作，推进该技术在光学芯片、量子技术、航空航天特种用途等领域的研发应用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428721.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428721.htm

MIT研究人员开发出微型光子芯片 实现超快激光技术微型化

MIT研究人员开发出微型光子芯片实现超快激光技术微型化激光在日常生活中已相对普遍，但除了在狂欢派对上提供灯光表演和扫描杂货上的条形码外，激光还有很多用途。激光在电信、计算以及生物、化学和物理研究领域也具有重要意义。在后一种应用中，能够发射超短脉冲的激光器尤其有用，这种激光器的脉冲为万亿分之一秒（1皮秒）或更短。利用在如此小的时间尺度上工作的激光，研究人员可以研究极快发生的物理和化学现象--例如，化学反应中分子键的生成或断裂，或者材料内部电子的运动。这些超短脉冲还广泛用于成像应用，因为它们的峰值强度极大，但平均功率较低，因此可以避免加热甚至烧毁生物组织等样本。在《科学》杂志上发表的一篇论文中，加州理工学院电子工程与应用物理学助理教授阿里雷扎-马兰迪（AlirezaMarandi）介绍了他的实验室开发的一种在光子芯片上制造这种激光器（称为锁模激光器）的新方法。这种激光器使用纳米级元件（纳米是十亿分之一米）制造，可以集成到光基电路中，类似于现代电子产品中的电基集成电路。铌酸锂制成的纳米光子锁模激光器发出一束绿色激光。资料来源：加州理工学院马兰迪说："我们感兴趣的不仅仅是让锁模激光器更加紧凑。我们很高兴能在纳米光子芯片上制造出性能良好的锁模激光器，并将其与其他元件结合在一起。到那时，我们就能在集成电路中构建一个完整的超快光子系统。这将把目前属于米级实验的超快科学和技术财富带到毫米级芯片上"。超快激光与诺贝尔奖的认可这类超快激光器对研究工作非常重要，今年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们开发出能产生阿秒脉冲的激光器（一阿秒等于一秒的五十亿分之一）。然而，这种激光器目前极其昂贵和笨重，马兰迪指出，他的研究正在探索在芯片上实现这种时间尺度的方法，这种芯片可以便宜很多，体积也更小，目的是开发出价格合理、可部署的超快光子技术。他说："这些阿秒级实验几乎都是用超快锁模激光器完成的。其中一些实验的成本可能高达1000万美元，而其中很大一部分就是锁模激光器的成本。我们很高兴能考虑如何在纳米光子学中复制这些实验和功能。"马兰迪实验室开发的纳米光子锁模激光器的核心是铌酸锂，这是一种具有独特光学和电学特性的合成盐，在这种情况下，可以通过应用外部射频电信号来控制和塑造激光脉冲。这种方法被称为腔内相位调制主动锁模。"大约50年前，研究人员在桌面实验中使用腔内相位调制来制造锁模激光器，并认为与其他技术相比，这种方法并不十分合适，"论文第一作者、前马兰迪实验室博士后郭秋实（音译）说。"但我们发现它非常适合我们的集成平台"。"除了体积小巧之外，我们的激光器还表现出一系列引人入胜的特性。例如，我们可以在很宽的范围内精确调节输出脉冲的重复频率。我们可以利用这一点来开发芯片级稳定频率梳状源，这对于频率计量和精密传感来说至关重要，"现任纽约城市大学高级科学研究中心助理教授的郭补充道。未来目标和研究影响马兰迪说，他的目标是继续改进这项技术，使其能够在更短的时间尺度和更高的峰值功率下运行，目标是达到50飞秒（飞秒是十万亿分之一秒），这将是他目前设备的100倍改进，目前设备产生的脉冲长度为4.8皮秒。介绍这项研究的论文题为"纳米光子铌酸锂中的超快锁模激光器"，发表在11月9日的《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398911.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398911.htm

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）--一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：YunZhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频--一种将高频信号转换为低频信号的方法--是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至1平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生16GHz的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波--一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425719.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425719.htm