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图1：Jelena Vu kovi 及 Joshua Yang于试验室。Yang手里正举着芯片级钛宝石激光器及钛宝石块作尺寸对于比。

斯坦福年夜学电子工程学传授Jelena Vu kovi 带领的研究团队，于芯片上创始性地集成为了钛宝石（Ti:sapphire）激光器（用绿色激光笔就能够泵浦）。与今朝任何其他钛宝石激光器比拟，这款原型机的体积缩小了4个数目级（即本来的万分之一），成本降低了3个数目级（即原先的千分之一）。

钛宝石激光器，因为其高增益带宽和超快脉冲输出，于尖端量子光学、光谱学及神经科学等范畴不成或者缺。然而因为其体积重大，价格昂贵（每一台价格数十万美元），以和需要高功率装备（每一台售价约3万美元）来泵浦，是以限定了其广泛运用。

于斯坦福年夜学的纳米及量子光子学试验室，基在金刚石及碳化硅等质料中的固态自旋量子位，咱们举行了屡次量籽实验。这个试验很年夜水平上就依靠在商用钛宝石激光器。 Vu kovi 团队的博士生 Joshua Yang先容说。

除了了价格昂贵，钛宝石激光器还有很繁杂，往往需要按期维护才能连结优良运行。Vu kovi 传授的研究团队要举行年夜量试验，钛宝石激光器的机时彻底不敷用，是以只能共用装备，并需要治理试验时间表。此外，因为试验所需的功率远远低在商用钛宝石激光器的输出功率，是以只能将激光输出功率衰减几个数目级，致使年夜部门激光功率的华侈。

Yang说： 芯片级钛蓝宝石激光器，因为其低成本、布局紧凑和不变耐用的特征，可以代替今朝采用的商用钛宝石激光体系，为咱们的周详试验保驾护航。

图2：Jelena Vu kovi 传授的研究团队研发的芯片级钛宝石激光器。激光器斜靠于一块钛宝石上，二者放于一个25美分硬币上。

巧妙的激光设计

该团队研发的芯片级激光由两个重要部门构成：波导及环形谐振器。

于二氧化硅（SiO2）基底上放置了一层钛宝石，然后将其置在蓝宝石晶体上。钛宝石层颠末研磨、蚀刻及抛光，厚度仅为几百纳米。然后于其上绘制波导图案，波导就像一个由微小脊线构成的旋涡，指导光于此中流传。

采用一个微型加热器对于波导加热，从而转变波导的折射率及光于波导中的流传速率，是以输出波长可以于红光至红外波长规模内调治（今朝可调治规模为 60nm）。

螺旋形的波导相称在激光的放年夜器，激光经由过程后功率会增长。 Yang注释说， 环形谐振器既可以作为滤波器，经由过程微加热器来调治激光的波长，又可以作为激光的谐振腔 作为激光传输的轮回路径。

图3：钛宝石波导放年夜器的光学图象，尺寸为0.5妹妹 0.5妹妹。

芯片级钛宝石激光器面对的挑战

钛宝石激光器最年夜的难点于在，需要高强度泵浦才能运行。经由过程高周详波导实现钛宝石激光技能，研究团队完成为了两个主要冲破：

第一，因为泵浦强度是功率除了以面积，利用钛宝石光学波导，显著削减泵浦面积。 这象征着只需要更小的功率（约降低1000倍）就能到达与商用钛宝石体系近似的泵浦强度。 Yang注释说， 是以，纵然是自制的绿光半导体激光器，其功率也足以泵浦这款芯片级激光器。

第二，将钛宝石激光器集成到芯片上。 芯片级蓝宝石激光器（没有更多的运动部件）拥有贸易激光器所没法相比的小型化、可扩大和耐用性，可以用在年夜范围晶圆级半导体系体例造。 Yang增补道。

对于Yang来讲，这项事情的亮点于在，这款芯片级钛宝石激光器被用在量籽实验。他说， 于一个繁杂的腔体量子电动力学（QED）试验中，看到这个微小的装备代替了体积重大的商用激光体系，真是使人很是欣喜。由于咱们研发的芯片级激光器确凿很是尤其。

芯片级钛宝石激光器可以或许真正用在量籽实验，Vu kovi 研究团队必需降服的一个挑战就是优化泵浦源的耦合。 试验时，经由过程自由空间光路对于激光器举行泵浦， Yang说， 但有了光子封装技能，就能够集成一个绿光半导体激光器，作为芯片级钛宝石激光器的泵浦源。经由过程封装体系及泵浦源的耦合优化，可以实现更高功率的激光输出，而且激光器既便携又耐用。

潜于运用

芯片级钛宝石激光器的运用范畴很是广泛，从量子计较、原子钟等量子技能，到光学相关断层扫描及双光子显微等医疗运用，纷歧而足。

但愿这项技能于将来几年内可以或许逐渐成熟并于这些范畴获得利用， Yang说道。本年炎天卒业后，他将于Brightlight Photonics 公司事情，该公司将致力在促成芯片级钛宝石激光器的贸易化运用。

今朝，Jelena Vu kovi 及她的研究团队正于研究一种可调谐的锁模芯片级钛宝石激光器。

脉冲激光 将为激光于量子技能、经典信息处置惩罚及生物医学中的运用带来新的机缘， Vu kovi 传授说。

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