研究人員利用鈮酸鋰薄膜將超快鎖模雷射微型化到奈米光子晶片上，實現了雷射技術的突破。這項進步為小型、高效雷射的發展鋪平了道路，使其在成像、感測和便攜式技術領域中廣泛應用。這項新進展將使袖珍設備能夠執行詳細的無GPS 精確導航、醫療成像、食品安全檢測等功能。

雷射是觀察、探測和測量自然界中我們肉眼無法看到的事物的重要工具。然而，由於需要使用昂貴的大型儀器，執行這些任務的能力往往受到限制。

在《科學》（Science）雜誌最新發表的一篇封面論文中，研究員郭秋實（Qiushi Guo）展示了一種在奈米光子晶片上製造高性能超快雷射的新方法。這款獨特的雷射能以飛秒級的時間間隔發射一連串超短相干光脈衝，也就是驚人的四十億分之一秒。

基於奈米光子鈮酸鋰的晶片級超快鎖模雷射。資料來源：Alireza Marandi

Ultrafast mode-locked lasers（超快鎖模雷射）是揭開自然界最快時間尺度秘密不可或缺的工具，例如化學反應中分子鍵的生成或斷裂，或光在湍流介質中的傳播。此外，鎖模雷射的高速度、脈衝峰值強度和寬光譜覆蓋範圍也使許多光子學技術得以實現，包括光學原子鐘、生物成像以及利用光來計算和處理數據的電腦。

遺憾的是，最先進的鎖模雷射目前都是昂貴、耗電的桌上型系統，僅限於實驗室使用。

“我們的目標是徹底改變超快光子學領域，將基於實驗室的大型系統轉變為可大規模生產和現場部署的晶片級系統，”紐約市立大學先期科學研究中心光子學計劃教員、紐約市立大學研究生中心物理學教授郭秋實說。”我們不僅要把東西做得更小，還要確保這些超快晶片級雷射能提供令人滿意的性能。例如，我們需要足夠的脈衝峰值強度，最好超過1 瓦特，以創建有意義的晶片級系統”。

然而，在晶片上實現有效的鎖模雷射並不是一個簡單的過程。郭的研究利用了一種被稱為薄膜鈮酸鋰（TFLN）的新興材料平台。這種材料可透過外部射頻電訊號實現雷射脈衝的高效整形和精確控制。

在他們的實驗中，郭秋實的團隊將III-V 族半導體的高雷射增益與TFLN 奈米級光子波導的高效脈衝整形能力獨特地結合在一起，展示了一種可發出0.5 瓦高輸出峰值功率的雷射器。

除了體積小巧之外，所展示的鎖模雷射還表現出許多傳統雷射無法企及的迷人特性，為未來的應用提供了深遠的影響。例如，透過調節雷射的泵浦電流，郭能夠在200 MHz 的極寬範圍內精確調節輸出脈衝的重複頻率。透過利用所展示雷射的強大可重構性，研究團隊希望實現晶片級頻率穩定的梳狀光源，這對精密感測至關重要。

郭的團隊還需要解決更多的挑戰，才能實現可擴展、整合的超快光子系統，並將其應用於便攜式和手持式設備，但他的實驗室已經透過目前的演示克服了一個主要障礙。

這項成果為最終使用手機診斷眼疾或分析食物和環境中的大腸桿菌和危險病毒鋪平了道路，它還可以實現未來晶片級原子鐘，從而在全球定位系統受到破壞或無法使用時進行導航。