作為一種高性能的固體激光器，鈦寶石激光器在科研、醫(yī)療、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

然而，傳統(tǒng)的鈦寶石激光器不但體積龐大，而且功耗較高（通過(guò)需要借助額外的高功率設(shè)備來(lái)維持運(yùn)轉(zhuǎn)）、價(jià)格昂貴（售價(jià)高達(dá)數(shù)十萬(wàn)美元），此外，這種激光器制造工藝非常復(fù)雜且對(duì)元器件要求極高，諸多方面的因素限制阻礙了鈦寶石激光器更廣泛的應(yīng)用和普及。

近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)在芯片上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一臺(tái)微型的鈦寶石激光器，相較于傳統(tǒng)的鈦寶石激光器，原型機(jī)的體積僅為傳統(tǒng)設(shè)備的萬(wàn)分之一，而生產(chǎn)成本也僅有原來(lái)的千分之一，同時(shí)解決了體積大、價(jià)格高等挑戰(zhàn)，而且在規(guī)模效率方面也具有優(yōu)勢(shì)，即便使用極小的功率仍然可以產(chǎn)生高性能的激光。

目前，這項(xiàng)研究成果已經(jīng)以“Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers”（鈦：絕緣體上藍(lán)寶石集成激光器和放大器）為題發(fā)表在 Nature 上。

（來(lái)源：Nature）

借助光子技術(shù)可以對(duì)傳統(tǒng)電子產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，其中一個(gè)較為典型的例子便是光纖通信能夠在一秒鐘內(nèi)傳輸海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1.84 Pbit/s。

但部署這些光子技術(shù)往往需要大型復(fù)雜的設(shè)備，甚至有時(shí)候需要多個(gè)，這使得設(shè)備體積龐大、生產(chǎn)成本高昂。如今，研究人員開(kāi)始探索和嘗試如何制造出集成在芯片上的光子器件。

畢竟，與使用晶體管作為基本構(gòu)建塊的電子器件不同，光子器件通常由許多組件組成，并且這些組件通常由不同的材料制成，并且使用專門的技術(shù)制造，所以將這些組件全部集成在單個(gè)芯片上具有很大的挑戰(zhàn)性。

（來(lái)源：Nature）

在這項(xiàng)研究中，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)首先在二氧化硅平臺(tái)上鋪了一層摻鈦藍(lán)寶石，并將其全部放置在藍(lán)寶石晶體上面。隨后，他們對(duì)鈦藍(lán)寶石進(jìn)行研磨、蝕刻，以及拋光，使之形成一層只有數(shù)百納米的薄片。

接下來(lái)，他們?cè)谶@層薄片上設(shè)計(jì)出一個(gè)由微小脊線組成的漩渦。這些脊線就像光纖線纜（類似于光線在光纖中傳播）一樣引導(dǎo)光在其中不斷循環(huán)，從而逐漸增強(qiáng)光的強(qiáng)度，而這個(gè)漩渦其實(shí)就是“波導(dǎo)”。

除此之外，他們還在設(shè)備中集成了一個(gè)微型加熱器，它可以對(duì)穿過(guò)波導(dǎo)的光進(jìn)行加熱，如此一來(lái)，研究人員就可以靈活的調(diào)整和改變發(fā)射光的波長(zhǎng)。具體而言，他們將光的波長(zhǎng)調(diào)整到 700-1000 納米之間，涵蓋了從紅光到紅外光的廣泛范圍。

最終，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)的大型激光設(shè)備“轉(zhuǎn)移”到了一顆微小的芯片上，面積大約只有 0.15 平方毫米，即使是使用極小的功率依然可以產(chǎn)生較高性能的激光。

從很大程度上來(lái)說(shuō)，相較于傳統(tǒng)的大型激光器設(shè)備，這種微型激光器或許更有助于提高效率。激光的強(qiáng)度其實(shí)就是功率和面積的比值，所以微型激光器在保持與大型激光器功率一樣的前提下減少集中的面積，那么激光的強(qiáng)度將會(huì)實(shí)現(xiàn)大幅提升。

為了驗(yàn)證這種激光器的性能，該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了一個(gè)復(fù)雜的量子光學(xué)試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)這種芯片級(jí)激光器的某些性能可以與商用桌面大型激光器系統(tǒng)相媲美。

（來(lái)源：Nature）

長(zhǎng)期以來(lái)，憑借卓越的性能，鈦寶石激光器在尖端量子光學(xué)、神經(jīng)醫(yī)學(xué)、光譜學(xué)等領(lǐng)域是一種不可或缺的設(shè)備。相較之下，此次斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的這種芯片級(jí)激光器在體積和成本方面更具優(yōu)勢(shì)，因此能夠更快走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，并且這種體積小巧且高性能的芯片級(jí)激光器在一些領(lǐng)域有望替代傳統(tǒng)大型激光器設(shè)備。

比如，在量子計(jì)算領(lǐng)域，使用這種微型激光器可以大幅縮小先進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模，為量子計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展提供支持；再比如在神經(jīng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種微型激光器可以應(yīng)用于光遺傳學(xué)，通過(guò)光纖引導(dǎo)進(jìn)而控制神經(jīng)元，有助于探索人類大腦的謎題。

（來(lái)源：Nature）

就在論文發(fā)表的同期，丹麥技術(shù)大學(xué)電氣與光子工程系的 Ajanta Barh 教授也在 Nature 上發(fā)表了一篇題為“Powerful laser miniaturized from tabletop to microchip”（從桌面到微芯片，強(qiáng)大的激光器變得小型化）的評(píng)論文章，并在文中指出，“激光器在全球的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室以及醫(yī)療診所中至關(guān)重要，但將其融入其他技術(shù)并非易事，這種將標(biāo)準(zhǔn)激光器放在微芯片上的材料平臺(tái)提供了一種新的解決方案?！?/p>

參考資料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07457-2

2.https://www.nature.com/articles/d41586-024-01646-9

3.https://www.cas.cn/kj/202406/t20240628_5023571.shtml