一个片上时间透镜可产生超快脉冲

飞秒脉冲激光器--它们以持续一百万分之一秒的超快爆发方式发光--是用于从医学和制造业到空间和时间的传感和精确测量等一系列应用的强大工具。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中的使用。

一个片上飞秒脉冲源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，将可调谐和高效的脉冲激光器集成到芯片上一直是一个挑战。

现在，来自哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员利用一种似乎直接来自科幻小说的工具：时间透镜，开发了一种高性能的片上飞秒脉冲源。

这项研究发表在《自然》杂志上。

"产生由多种颜色的光组成的高强度、短脉冲的脉冲激光器仍然很大，"SEAS的TiantsaiLin电子工程教授和该研究的高级作者MarkoLončar说。

"为了使这些光源更加实用，我们决定缩减一种众所周知的方法，用来实现传统的和大型的飞秒光源，利用我们开发的最先进的集成光子学平台。重要的是，我们的芯片是使用微加工技术制造的，就像那些用于制造计算机芯片的技术，这不仅确保了成本和尺寸的降低，而且还提高了我们飞秒源的性能和可靠性。"

传统的镜片，如隐形眼镜或放大镜和显微镜中的镜片，通过改变它们的相位来弯曲来自不同方向的光线，使它们击中空间的同一位置--焦点。

另一方面，时间透镜以类似的方式"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，从而使它们在同一时间到达焦平面。

想象一下，在一场汽车比赛中，每种颜色的光都是一辆不同的汽车。首先，时间镜头错开了每辆车的离开时间，然后设定它们的速度，使它们在同一时间到达终点。

为了产生飞秒脉冲，该团队的装置在隆恰尔实验室开创的铌酸锂平台上使用了一系列光波导、耦合器、调制器和光光栅。

该团队首先让连续波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，其功能类似于传统透镜的光圈。然后光线通过透镜的"弯曲"部分传播，在这种情况下是一个相位调制器，在那里产生不同颜色的频率组合。回到汽车的比喻上，相位调制器在不同的起始时间产生并释放不同颜色的汽车。

然后，激光器的最后一个部件进来了--沿着波导的鱼骨状光栅。光栅改变了不同颜色的光的速度，使它们在比赛中彼此并驾齐驱，从而使它们同时到达终点(或焦平面)。

由于该装置控制了不同波长的传播速度以及它们撞击焦平面的时间，它有效地将连续的、单一颜色的激光束转化为宽带、高强度的脉冲源，可以产生超快的、520飞秒的爆发。

该装置是高度可调谐的，集成在一个2厘米乘4毫米的芯片上，并且由于铌酸锂的电光特性，需要的功率比桌面产品大大降低。

"我们已经表明，集成光子学在能源消耗和尺寸方面同时提供了改进，"东南大学前博士后研究员、该研究的第一作者于梦洁说。

"这里没有权衡利弊;你在节省空间的同时也节省了能源。随着设备越来越小，集成度越来越高，你就会得到更好的性能。想象一下--在未来，我们可以在口袋里随身携带飞秒脉冲激光器，以感知水果的新鲜程度或实时跟踪我们的健康状况，或者在我们的汽车里进行距离测量。"

接下来，该团队旨在探索激光器本身和时间透镜技术的一些应用，包括像望远镜这样的透镜系统，以及超快信号处理和量子网络。