据6月26日《自然》杂志报道,美国斯坦福大学团队在芯片上制造出一种钛宝石激光器。与目前的任何其他钛蓝宝石激光器相比,这一原型机的体积缩小了4个数量级(即原来的万分之一),成本降低了3个数量级(即原先的千分之一)。无论在规模效率方面,还是在成本方面,这一成果都是一次巨大进步。

钛蓝宝石激光器在尖端量子光学、光谱学和神经科学等许多领域不可或缺,然而其在现实世界却未能广泛应用。因为这种激光器通常体积很大且价格昂贵,每台要花数十万美元,还需要其他高功率设备(每台售价约3万美元)来维持运转。

此次,研究人员首先在二氧化硅平台上铺了一层大块的钛蓝宝石;再将钛蓝宝石研磨、蚀刻和抛光成极薄的一层,只有几百纳米厚;然后,在该薄层上设计出一个由微小脊线组成的漩涡。这些脊线就像光纤电缆,引导光线不断循环,强度逐渐增强。这种模式被称为波导。

剩下的部分是一个微尺度加热器,它可以加热穿过波导的光,从而让研究人员能改变发射光的波长,将光的波长范围调整到700—1000纳米之间,即从红光到红外光。

在量子物理学方面,这种新激光器可大幅缩小最先进的量子计算机的规模;在神经科学方面,它可在光遗传学中得到应用,允许科学家通过相对较大的光纤引导大脑内部的光来控制神经元;在眼科方面,它可能在激光手术中与啁啾脉冲放大技术结合,实现新应用,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。

当前,不断更新的技术让很多实验室都能拥有单芯片上的超小型激光器,而不是一台大型且昂贵的激光器。小尺寸激光器实际上有助于提高效率——从数学上讲,强度等于功率除以面积。因此,保持与大型激光器相同的功率但减少其集中的面积,强度就会大幅上升。更重要的是,这些小巧且强大的激光器能更快走出实验室,服务于许多不同的重要应用。