首臺實用型芯片級鈦寶石激光器問世

鈦寶石波導放大器。該放大器的尺寸為0.5毫米見方。圖片來源：《自然》網站

科技日報北京6月27日電 （記者張佳欣）據26日《自然》雜志報道，美國斯坦福大學團隊在芯片上制造出一種鈦寶石激光器。與目前的任何其他鈦藍寶石激光器相比，這一原型機的體積縮小了4個數量級（即原來的萬分之一），成本降低了3個數量級（即原先的千分之一）。無論在規模效率方面，還是在成本方面，這一成果都是一次巨大進步。

鈦藍寶石激光器在尖端量子光學、光譜學和神經科學等許多領域不可或缺，然而其在現實世界卻未能廣泛應用。因為這種激光器通常體積很大且價格昂貴，每臺要花數十萬美元，還需要其他高功率設備（每臺售價約3萬美元）來維持運轉。

此次，研究人員首先在二氧化硅平臺上鋪了一層大塊的鈦藍寶石；再將鈦藍寶石研磨、蝕刻和拋光成極薄的一層，只有幾百納米厚；然后，在該薄層上設計出一個由微小脊線組成的漩渦。這些脊線就像光纖電纜，引導光線不斷循環，強度逐漸增強。這種模式被稱為波導。

剩下的部分是一個微尺度加熱器，它可以加熱穿過波導的光，從而讓研究人員能改變發射光的波長，將光的波長范圍調整到700—1000納米之間，即從紅光到紅外光。

在量子物理學方面，這種新激光器可大幅縮小最先進的量子計算機的規模；在神經科學方面，它可在光遺傳學中得到應用，允許科學家通過相對較大的光纖引導大腦內部的光來控制神經元；在眼科方面，它可能在激光手術中與啁啾脈沖放大技術結合，實現新應用，或者提供更便宜、更緊湊的光學相干斷層掃描技術來評估視網膜健康。

當前，不斷更新的技術讓很多實驗室都能擁有單芯片上的超小型激光器，而不是一臺大型且昂貴的激光器。小尺寸激光器實際上有助于提高效率——從數學上講，強度等于功率除以面積。因此，保持與大型激光器相同的功率但減少其集中的面積，強度就會大幅上升。更重要的是，這些小巧且強大的激光器能更快走出實驗室，服務于許多不同的重要應用。