斯坦福大学设计了一种袖珍钛蓝宝石超级激光器

斯坦福大学的工程师们已经在芯片上制造出了世界上第一个实用的钛蓝宝石激光器，实现了从台式到微型的一次飞跃。

研究人员开发了一种芯片级钛蓝宝石激光器，它比传统型号小得多，价格也更便宜，使其在量子光学、神经科学和其他领域可获得更广泛的应用。 这项新技术预计将使实验室能够在单个芯片上安装数百个这种强大的激光器，并由简单的绿色激光笔提供动力。

随着激光器的发展，由钛蓝宝石（Ti：蓝宝石）制成的激光器被认为具有“无与伦比”的性能。 它们在许多领域都是不可或缺的，包括尖端的量子光学、光谱学和神经科学。 但这种性能付出了高昂的代价。 钛蓝宝石激光器很大，体积约为立方英尺。 它们很贵，每个价值数十万美元。 而且它们需要其他高功率激光器（每个激光器的成本为30000美元）来为它们提供足够的能量来发挥作用。

激光技术的突破

因此，直到现在，钛蓝宝石激光器从未在现实世界中获得应有的广泛采用。 斯坦福大学的研究人员在规模、效率和成本方面取得了巨大飞跃，在芯片上制造了钛蓝宝石激光器。 该原型比以往生产的任何钛蓝宝石激光器都要小四个数量级（10000 倍），价格低三个数量级（1000 倍）。

革命性的小型化和降低成本

“这与旧模式完全不同，”黄仁勋全球领导力教授、电气工程教授耶莱娜·武契科维奇（Jelena Vučković）说，她是《自然》杂志上发表的介绍芯片级钛宝石激光器的论文的资深作者。“任何实验室都可能很快在一个芯片上拥有数百个这样有价值的激光器，而不是一个大而昂贵的激光器。你可以用一个绿色激光指示器来为这一切提供动力。”

武契科维奇实验室的博士候选人约书亚·杨与武契科维奇的纳米级和量子光子实验室同事、研究工程师卡斯珀·范·加斯和博士后学者达尼尔·M·卢金共同撰写了这项研究，他说：“当你从桌面尺寸一跃而起，以如此低的成本在芯片上制造出可生产的东西时，这些强大的激光器就可以用于许多不同的重要应用。”

技术优势和批量生产潜力

杨解释说，从技术角度来看，钛蓝宝石激光器非常有价值，因为它们具有任何激光晶体中最大的“增益带宽”。简单地说，增益带宽意味着与其他激光器相比，激光器可以产生更宽的颜色范围。杨说，它的速度也很快。光脉冲每千万分之一秒发出一次。

但钛宝石激光器也很难获得。即使是武契科维奇的实验室，从事尖端量子光学实验，也只有少数珍贵的激光器可供分享。新型钛宝石激光器适用于以平方毫米为单位的芯片。如果研究人员能够在晶圆上大规模生产，那么可能会有数千甚至数万个钛宝石激光器被压缩在一个可以放在手掌中的圆盘上。

“芯片很轻。它是便携式的。它既便宜又高效。没有活动部件。而且它可以大规模生产。有什么不喜欢的呢？这使得钛蓝宝石激光器更加大众化。”

制造业创新

为了制造新的激光器，研究人员首先在二氧化硅（SiO2）平台上放置了一大块钛蓝宝石层，所有这些都在真正的蓝宝石晶体上。然后，他们研磨、蚀刻和抛光钛蓝宝石，使其成为极薄的一层，只有几百纳米厚。在薄薄的一层中，它们形成了一个由小脊组成的漩涡。这些山脊就像光纤电缆，引导光线一圈又一圈，形成强度。事实上，这种模式被称为波导。

“从数学上讲，强度是功率除以面积。因此，如果你保持与大规模激光相同的功率，但减少其集中的面积，强度就会达到顶峰，”杨说。“激光的小尺寸实际上帮助我们提高了效率。”

这个谜题的剩余部分是一个微型加热器，它可以加热穿过波导的光，使武契科维奇团队能够改变发射光的波长，从而调整700到1000纳米之间的光的颜色 —— 从红色到红外线。

武契科维奇

武契科维奇、杨和同事对这种激光可能影响的领域范围感到最兴奋。在量子物理学中，新型激光器提供了一种廉价且实用的解决方案，可以大幅缩小最先进的量子计算机的规模。在神经科学领域，研究人员可以预见光遗传学的立即应用，该领域允许科学家通过相对笨重的光纤在大脑内引导光来控制神经元。他们说，小型激光器可能会集成到更紧凑的探测器中，开辟新的实验途径。在眼科领域，它可能会在激光手术中与诺贝尔奖获得者的啁啾脉冲放大一起找到新用途，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。

接下来，该团队正在努力完善他们的芯片级钛宝石激光器，并研究在芯片上批量生产数千台激光器的方法。杨将根据这项研究在今年夏天获得博士学位，并正在努力将该技术推向市场。

“我们可以在一个4英寸的芯片上放置数千个激光器，”杨说。“从那时起，每台激光的成本开始几乎为零。这非常令人兴奋。”