全球首个“芯片级钛宝石激光器”问世，体积小、成本低有望加速激光设备普及

作为一种高性能的固体激光器，钛宝石激光器在科研、医疗、工业等多个领域发挥重要作用。

然而，传统的钛宝石激光器不但体积庞大，而且功耗较高（通过需要借助额外的高功率设备来维持运转）、价格昂贵（售价高达数十万美元），此外，这种激光器制造工艺非常复杂且对元器件要求极高，诸多方面的因素限制阻碍了钛宝石激光器更广泛的应用和普及。

近日，美国斯坦福大学团队在芯片上设计开发出一台微型的钛宝石激光器，相较于传统的钛宝石激光器，原型机的体积仅为传统设备的万分之一，而生产成本也仅有原来的千分之一，同时解决了体积大、价格高等挑战，而且在规模效率方面也具有优势，即便使用极小的功率仍然可以产生高性能的激光。

目前，这项研究成果已经以“Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers”（钛：绝缘体上蓝宝石集成激光器和放大器）为题发表在 Nature 上。

（来源：Nature）

借助光子技术可以对传统电子产品进行改进，其中一个较为典型的例子便是光纤通信能够在一秒钟内传输海量数据，数据传输速率可达 1.84 Pbit/s。

但部署这些光子技术往往需要大型复杂的设备，甚至有时候需要多个，这使得设备体积庞大、生产成本高昂。如今，研究人员开始探索和尝试如何制造出集成在芯片上的光子器件。

毕竟，与使用晶体管作为基本构建块的电子器件不同，光子器件通常由许多组件组成，并且这些组件通常由不同的材料制成，并且使用专门的技术制造，所以将这些组件全部集成在单个芯片上具有很大的挑战性。

（来源：Nature）

在这项研究中，斯坦福大学团队首先在二氧化硅平台上铺了一层掺钛蓝宝石，并将其全部放置在蓝宝石晶体上面。随后，他们对钛蓝宝石进行研磨、蚀刻，以及抛光，使之形成一层只有数百纳米的薄片。

接下来，他们在这层薄片上设计出一个由微小脊线组成的漩涡。这些脊线就像光纤线缆（类似于光线在光纤中传播）一样引导光在其中不断循环，从而逐渐增强光的强度，而这个漩涡其实就是“波导”。

除此之外，他们还在设备中集成了一个微型加热器，它可以对穿过波导的光进行加热，如此一来，研究人员就可以灵活的调整和改变发射光的波长。具体而言，他们将光的波长调整到 700-1000 纳米之间，涵盖了从红光到红外光的广泛范围。

最终，斯坦福大学团队将传统的大型激光设备“转移”到了一颗微小的芯片上，面积大约只有 0.15 平方毫米，即使是使用极小的功率依然可以产生较高性能的激光。

从很大程度上来说，相较于传统的大型激光器设备，这种微型激光器或许更有助于提高效率。激光的强度其实就是功率和面积的比值，所以微型激光器在保持与大型激光器功率一样的前提下减少集中的面积，那么激光的强度将会实现大幅提升。

为了验证这种激光器的性能，该团队还开展了一个复杂的量子光学试验，他们发现这种芯片级激光器的某些性能可以与商用桌面大型激光器系统相媲美。

（来源：Nature）

长期以来，凭借卓越的性能，钛宝石激光器在尖端量子光学、神经医学、光谱学等领域是一种不可或缺的设备。相较之下，此次斯坦福大学团队开发的这种芯片级激光器在体积和成本方面更具优势，因此能够更快走出实验室实现商业应用，并且这种体积小巧且高性能的芯片级激光器在一些领域有望替代传统大型激光器设备。

比如，在量子计算领域，使用这种微型激光器可以大幅缩小先进量子计算机的规模，为量子计算的进一步发展提供支持；再比如在神经医学领域，这种微型激光器可以应用于光遗传学，通过光纤引导进而控制神经元，有助于探索人类大脑的谜题。

（来源：Nature）

就在论文发表的同期，丹麦技术大学电气与光子工程系的 Ajanta Barh 教授也在 Nature 上发表了一篇题为“Powerful laser miniaturized from tabletop to microchip”（从桌面到微芯片，强大的激光器变得小型化）的评论文章，并在文中指出，“激光器在全球的科学实验室以及医疗诊所中至关重要，但将其融入其他技术并非易事，这种将标准激光器放在微芯片上的材料平台提供了一种新的解决方案。”

参考资料：

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