近日，德国电子同步加速器研究中心（DESY）的研究团队，发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出了一种突破性的芯片技术，能够实现飞秒激光脉冲的功率放大。这种芯片集成技术，可以将1GHz重复频率的飞秒脉冲功率放大50倍，达到800W的峰值功率，并保持116飞秒的脉冲持续时间。这一成就将为高精度生物医疗成像、化学传感及自主导航等多个领域带来革命性进展。该研究工作以“Femtosecond pulse amplification on a chip”为题，发表在《Nature Communications》上。
飞秒激光脉冲技术是现代光子学的基础，它通过在超短时间内集中光能，提供了对超快现象的观测能力，应用领域广泛，包括生物医学成像、分子感知、光学频谱测量等。然而，由于芯片上现有飞秒脉冲源功率不足，芯片集成化的飞秒技术始终难以实现突破。此次，研究团队通过将飞秒脉冲放大技术成功集成到芯片中，解决了这一关键瓶颈。
这项研究的核心创新在于，研究团队采用了全正色散和大模面积的稀土掺杂增益波导结构，通过在芯片上实现类似啁啾脉冲放大（CPA）的放大过程，避免了非线性光学效应对脉冲质量的损害。这一技术使得1GHz重复频率的飞秒脉冲在芯片内得到了50倍以上的放大，输出峰值功率达到800瓦，而脉冲时长仅为116飞秒，显著提升了功率输出，达到了桌面系统通常才能实现的水平。
图1：芯片示意图。
此次研发的飞秒脉冲放大芯片在生物医学成像、便携式化学传感和自主导航等领域具有广泛的潜在应用。高功率飞秒脉冲可以应用于更精细的光谱生成、低噪声信号生成和时间计量等场景，推动未来新一代芯片级光子技术的发展。
研究团队表示，未来他们将继续优化该技术，并探索更复杂的非线性效应应用，如自相似脉冲放大和非线性压缩，以实现更高功率的少周期脉冲输出。这一技术的成熟将为高功率、超快光源的芯片集成开辟新的途径，为未来光通信、光学感知和成像等领域带来变革性影响。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52057-3
