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《激光制造網(wǎng)》獲悉，近期，由斯坦福大學(xué)電氣工程學(xué)教授Jelena Vu?kovi?領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《Nature》發(fā)表一項(xiàng)創(chuàng)新研究——他們成功研發(fā)出了全球首款實(shí)用的芯片級(jí)鈦藍(lán)寶石激光器（Titanium:sapphire）。與以往生產(chǎn)的任何鈦藍(lán)寶石激光器相比，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，將鈦藍(lán)寶石激光器的體積小了四個(gè)數(shù)量級(jí)（10,000 倍），成本低了三個(gè)數(shù)量級(jí)（1,000 倍），在規(guī)模、效率和成本方面實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍。

鈦藍(lán)寶石（Ti:sapphire）激光器被認(rèn)為具有“無(wú)與倫比”的性能。它們?cè)谠S多領(lǐng)域都不可或缺，包括尖端的量子光學(xué)、光譜學(xué)和神經(jīng)科學(xué)。但是，這種性能的實(shí)現(xiàn)需要付出高昂的代價(jià)。鈦藍(lán)寶石激光器體積龐大，大約有一立方英尺；它們價(jià)格昂貴，每臺(tái)售價(jià)數(shù)十萬(wàn)美元；它們還需要其他高功率激光器為其提供足夠的能量，才能正常工作。因此，直到現(xiàn)在，鈦藍(lán)寶石激光器也從未在現(xiàn)實(shí)世界中得到應(yīng)有的廣泛應(yīng)用。

鈦藍(lán)寶石激光器示意圖

從技術(shù)角度講，鈦：藍(lán)寶石激光器之所以如此珍貴，是因?yàn)樗鼈儞碛兴屑す饩w中最大的 "增益帶寬"。簡(jiǎn)單地說(shuō)，增益帶寬意味著與其他激光器相比，這種激光器能產(chǎn)生的顏色范圍更廣。楊說(shuō)，它還具有超快的速度。光脈沖每四分一秒發(fā)出一次。

但鈦藍(lán)寶石激光器也很難獲得。即便是從事尖端量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的Vu?kovi?實(shí)驗(yàn)室，也只有幾臺(tái)這種珍貴的激光器可供分享。新型鈦藍(lán)寶石激光器安裝在以平方毫米為單位的芯片上。如果研究人員能在晶片上批量生產(chǎn)這些激光器，就有可能在一個(gè)手掌大小的圓盤(pán)上擠出數(shù)千甚至上萬(wàn)個(gè)鈦藍(lán)寶石激光器。

為了制造這種新型激光器，研究人員首先在二氧化硅（SiO₂）平臺(tái)上制作了一層鈦藍(lán)寶石，所有這些都位于真正的藍(lán)寶石晶體之上。

然后，他們對(duì)鈦藍(lán)寶石進(jìn)行研磨、蝕刻和拋光，使其成為極薄層，厚度僅為幾百納米。然后，他們?cè)谶@層薄薄的鈦藍(lán)寶石上繪制一個(gè)由微小脊線組成的漩渦圖案。這些脊就像光導(dǎo)纖維一樣，引導(dǎo)著光線繞來(lái)繞去，不斷增強(qiáng)強(qiáng)度。事實(shí)上，這種圖案被稱為“波導(dǎo)”。

拼圖的其余部分是一個(gè)微型加熱器，它可以加熱通過(guò)波導(dǎo)的光線，使研究團(tuán)隊(duì)能夠改變發(fā)射光線的波長(zhǎng)，從而調(diào)整光線的顏色，波長(zhǎng)在700到1000納米之間，從紅色到紅外。

令研究團(tuán)隊(duì)感到興奮的是這種激光器可能影響的一系列領(lǐng)域。研究人員表示，新型芯片級(jí)鈦藍(lán)寶石激光器很輕，價(jià)格低效率高，便于攜帶，沒(méi)有移動(dòng)部件，且可以大規(guī)模生產(chǎn)，這些特性將使鈦藍(lán)寶石激光器平民化，這也使之能夠用于許多不同的重要應(yīng)用。

在量子物理學(xué)領(lǐng)域，這種新型激光器提供了一種廉價(jià)而實(shí)用的解決方案，可以大大縮小最先進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模。

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，研究人員可以預(yù)見(jiàn)它在光遺傳學(xué)中的直接應(yīng)用，該領(lǐng)域允許科學(xué)家用相對(duì)笨重的光纖在大腦內(nèi)部引導(dǎo)光線來(lái)控制神經(jīng)元。研究人員表示，小型激光器可能被集成到更緊湊的探針中，開(kāi)辟新的實(shí)驗(yàn)途徑。

而在眼科領(lǐng)域，它可能與獲得諾貝爾獎(jiǎng)的啁啾脈沖放大技術(shù)一起在激光手術(shù)中找到新的用途，或者提供更便宜、更緊湊的光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，用于評(píng)估視網(wǎng)膜健康狀況。

下一步，該團(tuán)隊(duì)將致力于完善芯片級(jí)鈦藍(lán)寶石激光器，并研究如何在晶片上批量生產(chǎn)這種激光器，一次可生產(chǎn)數(shù)千臺(tái)。