全球首個“芯片級鈦寶石激光器”問世，體積小、成本低有望加速激光設備普及

作為一種高性能的固體激光器，鈦寶石激光器在科研、醫療、工業等多個領域發揮重要作用。

然而，傳統的鈦寶石激光器不但體積龐大，而且功耗較高（通過需要借助額外的高功率設備來維持運轉）、價格昂貴（售價高達數十萬美元），此外，這種激光器制造工藝非常復雜且對元器件要求極高，諸多方面的因素限制阻礙了鈦寶石激光器更廣泛的應用和普及。

近日，美國斯坦福大學團隊在芯片上設計開發出一臺微型的鈦寶石激光器，相較于傳統的鈦寶石激光器，原型機的體積僅為傳統設備的萬分之一，而生產成本也僅有原來的千分之一，同時解決了體積大、價格高等挑戰，而且在規模效率方面也具有優勢，即便使用極小的功率仍然可以產生高性能的激光。

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

（來源：Nature）

借助光子技術可以對傳統電子產品進行改進，其中一個較為典型的例子便是光纖通信能夠在一秒鐘內傳輸海量數據，數據傳輸速率可達 1.84 Pbit/s。

但部署這些光子技術往往需要大型復雜的設備，甚至有時候需要多個，這使得設備體積龐大、生產成本高昂。如今，研究人員開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制造，所以將這些組件全部集成在單個芯片上具有很大的挑戰性。

（來源：Nature）

在這項研究中，斯坦福大學團隊首先在二氧化硅平臺上鋪了一層摻鈦藍寶石，并將其全部放置在藍寶石晶體上面。隨后，他們對鈦藍寶石進行研磨、蝕刻，以及拋光，使之形成一層只有數百納米的薄片。

接下來，他們在這層薄片上設計出一個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）一樣引導光在其中不斷循環，從而逐漸增強光的強度，而這個漩渦其實就是“波導”。

除此之外，他們還在設備中集成了一個微型加熱器，它可以對穿過波導的光進行加熱，如此一來，研究人員就可以靈活的調整和改變發射光的波長。具體而言，他們將光的波長調整到 700-1000 納米之間，涵蓋了從紅光到紅外光的廣泛范圍。

最終，斯坦福大學團隊將傳統的大型激光設備“轉移”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生較高性能的激光。

從很大程度上來說，相較于傳統的大型激光器設備，這種微型激光器或許更有助于提高效率。激光的強度其實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，那么激光的強度將會實現大幅提升。

為了驗證這種激光器的性能，該團隊還開展了一個復雜的量子光學試驗，他們發現這種芯片級激光器的某些性能可以與商用桌面大型激光器系統相媲美。

（來源：Nature）

長期以來，憑借卓越的性能，鈦寶石激光器在尖端量子光學、神經醫學、光譜學等領域是一種不可或缺的設備。相較之下，此次斯坦福大學團隊開發的這種芯片級激光器在體積和成本方面更具優勢，因此能夠更快走出實驗室實現商業應用，并且這種體積小巧且高性能的芯片級激光器在一些領域有望替代傳統大型激光器設備。

比如，在量子計算領域，使用這種微型激光器可以大幅縮小先進量子計算機的規模，為量子計算的進一步發展提供支持；再比如在神經醫學領域，這種微型激光器可以應用于光遺傳學，通過光纖引導進而控制神經元，有助于探索人類大腦的謎題。

（來源：Nature）

就在論文發表的同期，丹麥技術大學電氣與光子工程系的 Ajanta Barh 教授也在 Nature 上發表了一篇題為“Powerful laser miniaturized from tabletop to microchip”（從桌面到微芯片，強大的激光器變得小型化）的評論文章，并在文中指出，“激光器在全球的科學實驗室以及醫療診所中至關重要，但將其融入其他技術并非易事，這種將標準激光器放在微芯片上的材料平臺提供了一種新的解決方案。”

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