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技術(shù)前沿

世界首臺實(shí)用芯片級鈦藍寶石激光器面世

激光制造網(wǎng) 來(lái)源:老one編譯2024-06-28 我要評論(0 )   

《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)導的研究團隊在《Nature》發(fā)表一項創(chuàng )新研究——他們成功研發(fā)出了全球首款實(shí)用的芯片級鈦藍寶...

《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)導的研究團隊在《Nature》發(fā)表一項創(chuàng )新研究——他們成功研發(fā)出了全球首款實(shí)用的芯片級鈦藍寶石激光器(Titanium:sapphire)。與以往生產(chǎn)的任何鈦藍寶石激光器相比,斯坦福大學(xué)的研究團隊通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新,將鈦藍寶石激光器的體積小了四個(gè)數量級(10,000 倍),成本低了三個(gè)數量級(1,000 倍),在規模、效率和成本方面實(shí)現了巨大飛躍。

鈦藍寶石(Ti:sapphire)激光器被認為具有“無(wú)與倫比”的性能。它們在許多領(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)現需要付出高昂的代價(jià)。鈦藍寶石激光器體積龐大,大約有一立方英尺;它們價(jià)格昂貴,每臺售價(jià)數十萬(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,直到現在,鈦藍寶石激光器也從未在現實(shí)世界中得到應有的廣泛應用。

 

鈦藍寶石激光器示意圖

 

從技術(shù)角度講,鈦:藍寶石激光器之所以如此珍貴,是因為它們擁有所有激光晶體中最大的 "增益帶寬"。簡(jiǎn)單地說(shuō),增益帶寬意味著(zhù)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)驗的Vu?kovi?實(shí)驗室,也只有幾臺這種珍貴的激光器可供分享。新型鈦藍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)上擠出數千甚至上萬(wàn)個(gè)鈦藍寶石激光器。

 

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

 

然后,他們對鈦藍寶石進(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,他們在這層薄薄的鈦藍寶石上繪制一個(gè)由微小脊線(xiàn)組成的漩渦圖案。這些脊就像光導纖維一樣,引導著(zhù)光線(xiàn)繞來(lái)繞去,不斷增強強度。事實(shí)上,這種圖案被稱(chēng)為“波導”。



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

 

令研究團隊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,新型芯片級鈦藍寶石激光器很輕,價(jià)格低效率高,便于攜帶,沒(méi)有移動(dòng)部件,且可以大規模生產(chǎn),這些特性將使鈦藍寶石激光器平民化,這也使之能夠用于許多不同的重要應用。

 

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)量子計算機的規模。

 

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域,研究人員可以預見(jiàn)它在光遺傳學(xué)中的直接應用,該領(lǐng)域允許科學(xué)家用相對笨重的光纖在大腦內部引導光線(xiàn)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)驗途徑。

 

而在眼科領(lǐng)域,它可能與獲得諾貝爾獎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),用于評估視網(wǎng)膜健康狀況。

 

下一步,該團隊將致力于完善芯片級鈦藍寶石激光器,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)數千臺。


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