工程师制造出世界上第一台实用的芯片钛宝石激光器

就激光器而言，钛宝石 (Ti:sapphire) 激光器被认为具有“无与伦比”的性能。它们在许多领域都不可或缺，包括尖端量子光学、光谱学和神经科学。但这种性能的代价很高。钛宝石激光器体积很大，大约有立方英尺。它们价格昂贵，每台售价数十万美元。而且它们需要其他高功率激光器来为其提供足够的能量，而这些激光器本身每台售价 30,000 美元。

因此，钛宝石激光器一直未能获得应有的广泛实际应用——直到现在。斯坦福大学的研究人员在芯片上制造了一台钛宝石激光器，在规模、效率和成本方面取得了巨大飞跃。与迄今为止生产的任何钛宝石激光器相比，该原型机小了四个数量级(10,000 倍)，价格便宜了三个数量级(1,000 倍)。

“这完全不同于旧的模式，”Jensen Huang 全球领导力教授、电气工程教授、《自然》杂志上发表的介绍芯片级钛宝石激光器的论文的高级作者 Jelena Vučković 表示。

“任何实验室都可能很快会在一块芯片上配备数百个这种有价值的激光器，而不是使用一个大型且昂贵的激光器。而且你可以用一个绿色激光笔为它们提供能量。”

巨大的利益

“当你从桌面尺寸跳转到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，”Vučković 实验室的博士生 Joshua Yang 说道。他是这项研究的共同第一作者，其他作者包括 Vučković 的纳米和量子光子学实验室的同事、研究工程师 Kasper Van Gasse 和博士后学者 Daniil M. Lukin。

杨解释说，从技术角度来说，钛宝石激光器之所以如此有价值，是因为它们拥有所有激光晶体中最大的“增益带宽”。简单地说，增益带宽就是这种激光器与其他激光器相比可以产生更宽的颜色范围。杨说，它的速度也非常快。光脉冲每千万亿分之一秒就会发出一次。

但钛宝石激光器也很难获得。即使是进行尖端量子光学实验的 Vučković 实验室也只有少数几台这种珍贵的激光器可供分享。新型钛宝石激光器安装在以平方毫米为单位的芯片上。如果研究人员能够在晶圆上批量生产它们，那么数千台甚至数万台钛宝石激光器就可以挤在手掌大小的磁盘上。

“芯片很轻，便于携带，价格低廉，效率高，没有移动部件，而且可以批量生产，”杨说。“有什么不喜欢的呢?这让钛宝石激光器变得普及。”

如何实现

为了制作这种新型激光器，研究人员首先在二氧化硅( SiO2 )平台上放置了一层钛蓝宝石层，并将其全部放置在真正的蓝宝石晶体之上。

然后，他们将钛蓝宝石研磨、蚀刻和抛光成极薄的一层，厚度只有几百纳米。然后，他们在该薄层上设计出微小脊状的漩涡。这些脊状结构就像光纤电缆，引导光线不断循环，强度逐渐增强。事实上，这种图案被称为波导。

“从数学上讲，强度等于功率除以面积。因此，如果你保持与大型激光器相同的功率，但减少其集中的面积，强度就会急剧上升，”杨说。“我们的激光器的小型化实际上有助于我们提高效率。”

剩下的难题是一个微型加热器，它可以加热穿过波导的光，从而允许 Vučković 团队改变发射光的波长，将光的颜色调整到 700 到 1,000 纳米之间 - 从红光到红外光。

聚焦应用

Vučković、Yang 和同事们对这种激光器可能影响的领域范围最为兴奋。在量子物理学中，这种新型激光器提供了一种廉价而实用的解决方案，可以大大缩小最先进的量子计算机的尺寸。

在神经科学方面，研究人员可以预见光遗传学将立即得到应用。光遗传学允许科学家利用相对较大光纤引导大脑内部的光来控制神经元。他们表示，小型激光器可能会集成到更紧凑的探针中，从而开辟新的实验途径。

在眼科领域，它或许能够利用诺贝尔奖获奖的啁啾脉冲放大技术在激光手术中发挥新用途，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状况。

接下来，该团队将致力于完善芯片级钛宝石激光器，并研究如何在晶圆上批量生产数千台。杨将在今年夏天凭借这项研究获得博士学位，并致力于将该技术推向市场。

“我们可以在一块 4 英寸的晶圆上安装数千个激光器，”杨说，“到那时，每个激光器的成本几乎为零。这真是太令人兴奋了。”