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近日，斯坦福大學(xué)的研究人員在激光器制造領(lǐng)域取得了一項(xiàng)突破性進(jìn)展。

他們成功在芯片上開發(fā)并制造出了鈦藍(lán)寶石激光器，這一創(chuàng)新成果不僅將激光器的尺寸縮小了四個(gè)數(shù)量級(jí)（即縮小至原來(lái)的萬(wàn)分之一），而且成本降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)（即僅為原價(jià)的千分之一）。

“這是對(duì)傳統(tǒng)模式的顛覆性突破，”全球領(lǐng)導(dǎo)力教授、電子工程領(lǐng)域的權(quán)威Jelena Vuckovic教授興奮地表示。作為在《自然》（Nature）雜志上詳細(xì)介紹這一芯片級(jí)鈦藍(lán)寶石激光器的資深作者，她對(duì)未來(lái)充滿了期待：“不久后，任何實(shí)驗(yàn)室都將能夠在單一芯片上擁有數(shù)百個(gè)這樣的高性能激光器，而不再需要依賴龐大且昂貴的傳統(tǒng)設(shè)備。操作起來(lái)也將變得異常簡(jiǎn)便，甚至可以用一支綠色的激光筆來(lái)驅(qū)動(dòng)它?！?/p>

實(shí)驗(yàn)室博士候選人Joshua Yang進(jìn)一步闡述了這一技術(shù)的深遠(yuǎn)影響：“當(dāng)我們從桌面級(jí)設(shè)備跨越到在芯片上制造可生產(chǎn)的產(chǎn)品時(shí)，這些強(qiáng)大的激光器將能夠以極低的成本應(yīng)用于各種重要領(lǐng)域?！彼cVuckovic教授的納米尺度和量子光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的同事們，包括研究工程師Kasper Van Gasse和博士后學(xué)者Daniil M. Lukin，共同完成了這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究。

從技術(shù)層面來(lái)看，鈦藍(lán)寶石激光器之所以備受青睞，是因?yàn)樗鼈儞碛腥魏?span id="ltzpv5r75" class="hrefStyle" style="margin: 0px; padding: 0px;">激光晶體中最大的“增益帶寬”。這意味著，與其他激光器相比，鈦藍(lán)寶石激光器能夠產(chǎn)生更寬的波長(zhǎng)范圍。此外，其光脈沖的發(fā)射速度也極快，每千萬(wàn)億分之一秒就能發(fā)出一次。這些卓越的性能特點(diǎn)，無(wú)疑將極大地推動(dòng)激光技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展。

為了打造這種新型激光器，他們首先在二氧化硅平臺(tái)上，精準(zhǔn)地覆蓋了一層真正的藍(lán)寶石晶體，并在其上鋪設(shè)了一層鈦藍(lán)寶石。隨后，經(jīng)過(guò)精細(xì)的研磨、蝕刻和拋光，鈦藍(lán)寶石被縮減至僅有數(shù)百納米厚的超薄層。緊接著，研究團(tuán)隊(duì)在這層超薄材料中精心繪制了波導(dǎo)的圖案。

這種微型化的設(shè)計(jì)帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)。從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看，強(qiáng)度是功率與面積之比。因此，當(dāng)保持與大規(guī)模激光器相同的功率時(shí)，由于面積的減小，激光的強(qiáng)度將顯著提升。研究人員指出：“激光的小尺寸實(shí)際上幫助我們提高了效率?！?/p>

此外，為了進(jìn)一步提升激光器的性能，研究團(tuán)隊(duì)還加入了一個(gè)微型加熱器。這個(gè)加熱器能夠加熱通過(guò)波導(dǎo)的光，使得Jelena Vuckovic團(tuán)隊(duì)能夠在700-1000納米之間靈活地調(diào)整發(fā)射光的波長(zhǎng)。

這款微型芯片上的鈦藍(lán)寶石激光器在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在量子物理學(xué)領(lǐng)域，它為縮小最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)尺寸提供了一種廉價(jià)而實(shí)用的解決方案。而在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，斯坦福大學(xué)的研究人員預(yù)見到了其在光遺傳學(xué)中的直接應(yīng)用，這一領(lǐng)域允許科學(xué)家通過(guò)光來(lái)控制和影響大腦內(nèi)部的神經(jīng)元活動(dòng)，盡管目前常用的光纖設(shè)備相對(duì)笨重。

展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)完善芯片級(jí)鈦藍(lán)寶石激光器的設(shè)計(jì)，并探索在晶圓上批量生產(chǎn)的可能性，一次生產(chǎn)數(shù)千個(gè)激光器。今年夏天，Joshua Yang將基于這項(xiàng)研究獲得博士學(xué)位，并致力于將這項(xiàng)技術(shù)推向市場(chǎng)。他充滿信心地表示：“我們可以在一塊4英寸的晶圓上放置數(shù)千個(gè)激光器，屆時(shí)每臺(tái)激光器的成本將趨近于零。這無(wú)疑將引發(fā)一場(chǎng)技術(shù)革命?！?/p>