用玻璃制造飛秒激光器

EPFL Galatea 實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們在玻璃基板上制作千兆激光器。圖片來源：EPFL/Jamani Caillet - CC-BY-SA 4.0

用玻璃制造飛秒激光器可行嗎？這就是EPFL Galatea實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人伊夫-貝魯阿德（Yves Bellouard）多年來花費(fèi)大量時間和精力為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)飛秒激光器后所發(fā)現(xiàn)的 "兔子洞"。

Galatea 實(shí)驗(yàn)室位于光學(xué)、機(jī)械學(xué)和材料科學(xué)的交匯處，飛秒激光是 Bellouard 工作的重要組成部分。飛秒激光能產(chǎn)生極短而有規(guī)律的激光脈沖，在激光眼科手術(shù)、非線性顯微鏡、光譜學(xué)、激光材料加工以及最近的可持續(xù)數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

商用飛秒激光器是通過將光學(xué)元件及其支架安裝在基板（通常是光學(xué)面包板）上制成的，這就要求對光學(xué)元件進(jìn)行快速對準(zhǔn)。

"我們使用飛秒激光器來研究材料的非線性特性，以及如何改變材料的體積，"Bellouard 解釋說。"通過痛苦的復(fù)雜光學(xué)對準(zhǔn)練習(xí)，讓你夢想用更簡單、更可靠的方法來對準(zhǔn)復(fù)雜的光學(xué)器件"。

Bellouard 及其團(tuán)隊(duì)的解決方案是什么？使用商用飛秒激光器用玻璃制作飛秒激光器，大小不超過信用卡，對準(zhǔn)麻煩更少。研究成果發(fā)表在《光學(xué)》（Optica）雜志上。

如何用玻璃制造飛秒激光器

要利用玻璃基板制造飛秒激光器，科學(xué)家們首先要從一塊玻璃板開始。"Bellouard解釋說："我們希望制造出穩(wěn)定的激光器，所以我們使用玻璃，因?yàn)椴ＡУ臒崤蛎浡时葌鹘y(tǒng)基底低，是一種穩(wěn)定的材料，而且對于我們使用的激光來說是透明的。

科學(xué)家們使用商用飛秒激光器，在玻璃上蝕刻出特殊的凹槽，以便精確放置激光器的重要組件。即使是微米級精度的制造，凹槽和組件本身的精度也不足以達(dá)到激光質(zhì)量的對準(zhǔn)。換句話說，反射鏡還沒有完全對準(zhǔn)，因此在這個階段，他們的玻璃裝置還不能作為激光器使用。

科學(xué)家們還從以前的研究中了解到，他們可以使玻璃局部膨脹或收縮。為什么不利用這種技術(shù)來調(diào)整鏡子的排列呢？

因此，最初的蝕刻設(shè)計(jì)是讓一面鏡子位于一個凹槽中，凹槽中的微機(jī)械撓性設(shè)計(jì)可以在飛秒激光照射時局部攪拌鏡子。這樣，商用飛秒激光器就可以第二次使用，這次是對準(zhǔn)反射鏡，最終形成穩(wěn)定的小規(guī)模飛秒激光器。

"Bellouard 說："這種利用激光與物質(zhì)相互作用對自由空間光學(xué)元件進(jìn)行永久對準(zhǔn)的方法，可以擴(kuò)展到各種光學(xué)電路，對準(zhǔn)分辨率極高，可達(dá)亞納米級。

應(yīng)用及其他

Galatea 實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的研究項(xiàng)目將探索如何在量子光學(xué)系統(tǒng)組裝中使用這項(xiàng)技術(shù)，從而突破目前可實(shí)現(xiàn)的微型化和對準(zhǔn)精度的極限。

對準(zhǔn)過程仍由人類操作員監(jiān)督，通過練習(xí)，可能需要幾個小時才能完成。盡管激光器體積很小，但其峰值功率卻能達(dá)到近千瓦，發(fā)射脈沖的時間不到 200 飛秒，僅夠光穿過人的頭發(fā)。

這項(xiàng)新穎的飛秒激光技術(shù)將由 Cassio-P 公司推出，該公司將由 Galatea 實(shí)驗(yàn)室的安托萬-德爾戈夫（Antoine Delgoffe）領(lǐng)導(dǎo)。

"Bellouard總結(jié)道："飛秒激光器可以自我復(fù)制，我們是否已經(jīng)到了自我克隆制造設(shè)備的階段？

參考資料

Antoine Delgoffe et al, All-glass miniature GHz repetition rate femtosecond laser cavity, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.496503