首台实用型芯片级钛宝石激光器问世

2024-06-28 17:21

据6月26日《自然》杂志报道，美国斯坦福大学团队在芯片上制造出一种钛宝石激光器。无论在规模效率方面，还是在成本方面，这一成果都是一次巨大进步。

钛蓝宝石激光器在尖端量子光学、光谱学和神经科学等许多领域不可或缺，然而其在现实世界却未能广泛应用。因为这种激光器通常体积很大且价格昂贵，每台要花数十万美元，还需要其他高功率设备（每台售价约3万美元）来维持运转。

为解决这一问题，研究人员首先在二氧化硅平台上铺了一层大块的钛蓝宝石；再将钛蓝宝石研磨、蚀刻和抛光成极薄的一层，只有几百纳米厚；然后，在该薄层上设计出一个由微小脊线组成的漩涡。这些脊线就像光纤电缆，引导光线不断循环，强度逐渐增强。这种模式被称为波导。与其他钛蓝宝石激光器相比，这一原型机的体积缩小了4个数量级（即原来的万分之一），成本降低了3个数量级（即原先的千分之一）。

剩下的部分是一个微尺度加热器，它可以加热穿过波导的光，从而让研究人员能改变发射光的波长，将光的波长范围调整到700—1000纳米之间，即从红光到红外光。

在量子物理学方面，这种新激光器可大幅缩小最先进的量子计算机的规模；在神经科学方面，它可在光遗传学中得到应用，允许科学家通过相对较大的光纤引导大脑内部的光来控制神经元；在眼科方面，它可能在激光手术中与啁啾脉冲放大技术结合，实现新应用，或者提供更便宜、更紧凑的光学相干断层扫描技术来评估视网膜健康。

当前，不断更新的技术让很多实验室都能拥有单芯片上的超小型激光器，而不是一台大型且昂贵的激光器。小尺寸激光器实际上有助于提高效率——从数学上讲，强度等于功率除以面积。因此，保持与大型激光器相同的功率但减少其集中的面积，强度就会大幅上升。更重要的是，这些小巧且强大的激光器能更快走出实验室，服务于许多不同的重要应用。