近日，斯坦福大学的研究人员在激光器制造领域取得了一项突破性进展。
他们成功在芯片上开发并制造出了钛蓝宝石激光器，这一创新成果不仅将激光器的尺寸缩小了四个数量级（即缩小至原来的万分之一），而且成本降低了三个数量级（即仅为原价的千分之一）。
“这是对传统模式的颠覆性突破，”全球领导力教授、电子工程领域的权威Jelena Vuckovic教授兴奋地表示。作为在《自然》（Nature）杂志上详细介绍这一芯片级钛蓝宝石激光器的资深作者，她对未来充满了期待：“不久后，任何实验室都将能够在单一芯片上拥有数百个这样的高性能激光器，而不再需要依赖庞大且昂贵的传统设备。操作起来也将变得异常简便，甚至可以用一支绿色的激光笔来驱动它。”
实验室博士候选人Joshua Yang进一步阐述了这一技术的深远影响：“当我们从桌面级设备跨越到在芯片上制造可生产的产品时，这些强大的激光器将能够以极低的成本应用于各种重要领域。”他与Vuckovic教授的纳米尺度和量子光子学实验室的同事们，包括研究工程师Kasper Van Gasse和博士后学者Daniil M. Lukin，共同完成了这项开创性的研究。
从技术层面来看，钛蓝宝石激光器之所以备受青睐，是因为它们拥有任何激光晶体中最大的“增益带宽”。这意味着，与其他激光器相比，钛蓝宝石激光器能够产生更宽的波长范围。此外，其光脉冲的发射速度也极快，每千万亿分之一秒就能发出一次。这些卓越的性能特点，无疑将极大地推动激光技术在各个领域的广泛应用和深入发展。
为了打造这种新型激光器，他们首先在二氧化硅平台上，精准地覆盖了一层真正的蓝宝石晶体，并在其上铺设了一层钛蓝宝石。随后，经过精细的研磨、蚀刻和抛光，钛蓝宝石被缩减至仅有数百纳米厚的超薄层。紧接着，研究团队在这层超薄材料中精心绘制了波导的图案。
这种微型化的设计带来了显著的优势。从数学的角度来看，强度是功率与面积之比。因此，当保持与大规模激光器相同的功率时，由于面积的减小，激光的强度将显著提升。研究人员指出：“激光的小尺寸实际上帮助我们提高了效率。”
此外，为了进一步提升激光器的性能，研究团队还加入了一个微型加热器。这个加热器能够加热通过波导的光，使得Jelena Vuckovic团队能够在700-1000纳米之间灵活地调整发射光的波长。
这款微型芯片上的钛蓝宝石激光器在多个领域展现出广阔的应用前景。在量子物理学领域，它为缩小最先进的量子计算机尺寸提供了一种廉价而实用的解决方案。而在神经科学领域，斯坦福大学的研究人员预见到了其在光遗传学中的直接应用，这一领域允许科学家通过光来控制和影响大脑内部的神经元活动，尽管目前常用的光纤设备相对笨重。
展望未来，该团队将继续完善芯片级钛蓝宝石激光器的设计，并探索在晶圆上批量生产的可能性，一次生产数千个激光器。今年夏天，Joshua Yang将基于这项研究获得博士学位，并致力于将这项技术推向市场。他充满信心地表示：“我们可以在一块4英寸的晶圆上放置数千个激光器，届时每台激光器的成本将趋近于零。这无疑将引发一场技术革命。”
