采用Mamyshev振荡器的高脉冲能量集成锁模激光器

摘要

超快激光技术在科学和技术领域带来了诸多突破：它们推动了角膜手术的发展¹，揭示了化学反应的动力学过程²，并促进了光学原子钟的研发³。在过去的几十年里，人们付出了大量努力，旨在实现基于光子集成电路（PICs）的锁模激光器，这些激光器体积小巧、可在晶圆层面制造，并且能够与其他芯片功能兼容⁴⁵⁶。然而，迄今为止的演示还缺乏驱动非线性过程（如超连续谱生成）所需的脉冲能量。在这里，我们展示了一种通过使用掺铒离子的硅氮化物PICs来克服这一挑战的锁模激光器⁷。该激光器采用了Mamyshev振荡器架构⁸，其中交替光谱滤波和自相位调制实现了锁模，并且能够支持较大的非线性相位移动⁹。该激光器无需外部种子脉冲即可运行，产生176 MHz的脉冲序列，脉冲能量达到纳焦耳级别，与光纤激光器相当，且比之前的基于PIC的激光器高出两个数量级。其输出具有高相干性，可以线性压缩至147 fs，并且可以直接在Si₃N₄波导中驱动一个覆盖1.5个八度的超连续谱，无需进一步放大。由该激光器驱动的紧凑型太赫兹时域光谱仪实现了5 THz的带宽和90 dB的动态范围。我们展示了其在非接触式化学分析和检测中的应用。我们的结果展示了集成式超快激光器的潜力，其应用范围从芯片级频率计量学到便携式光谱系统。