精密革新: チップ上の小型ティタンサファイアレーザーが量子物理学と医療を変革

Tokyoスタンフォード大学の研究者たちは、新しいチップ規模のチタンサファイアレーザーを開発しました。これらのレーザーは優れた性能で知られ、多くの分野で重要ですが、大型で高価であるため使用が制限されていました。この新しいレーザーは、コンパクトで手頃な価格、さらに効率的であることで、これらの問題に対処しています。

従来のTi:sapphireレーザーにはいくつかの欠点があります。まず、大きなスペースを必要とし、体積にして数立方フィートも占めます。また、非常に高価であり、数十万ドルの費用がかかります。さらに、約30,000ドルの他の高出力レーザーを必要とするため、運用には追加のコストがかかります。

スタンフォード大学は、従来のTi:サファイアレーザーよりもはるかに小型で安価なレーザーを開発しました。この新しいレーザーは、サイズが10,000分の1で、コストが1,000分の1です。Nature誌に発表された研究の上級著者であるイェレナ・ヴクコヴィッチは、これが全く新しいアプローチであると述べています。このコスト効率の高いレーザーを一つのチップに数百個搭載することが可能です。

ドクター候補生で共著者のジョシュア・ヤンは、チタン・サファイアレーザーの重要性について説明しました。このレーザーは、広い利得帯域幅を持つため、多様な色の光を生成できます。また、四兆分の一秒という非常に短いパルスで光を発します。しかし、高価なため、先進的な研究施設でもこのレーザーを持っているのはごくわずかです。

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研究者たちは、単一のウエハ上に多数のこれらのレーザーを製造する方法を開発しました。小さなディスクに数千のTi:サファイアレーザーを収めることができ、非常に効率的です。楊氏はこの技術の利点を強調しており、「チップは軽量で携帯性があり、安価で効率的、大量生産が容易」と述べています。この進歩により、Ti:サファイアレーザーはさまざまな用途でさらに利用しやすくなります。

研究者たちは、新しいレーザーをサファイアクリスタルの上にある二酸化ケイ素の基板上にチタン-サファイアの層を積み重ねることで作製しました。このチタン-サファイア層を非常に薄くするために、研磨やエッチングを行いました。その後、この層に小さな突起を追加して光を誘導し、強化する役割を持つ導波路を作りました。また、光の色を調整できるようにする小さなヒーターを取り付け、700ナノメートルから1,000ナノメートルの範囲で変化させることができます。

この新しいレーザーは様々な分野に影響を与える可能性があります。量子物理学では、より小型の量子コンピューターの開発に役立ちます。神経科学では、微小なツールでニューロンを効果的に制御するために使用されます。眼科分野では、レーザー手術を向上させ、視力チェックを安価に行う方法が見つかるでしょう。

チームは現在、小型のチタンサファイアレーザーの改良と、大量生産の方法を模索しています。この研究で博士号を取得予定のヤンは、この技術を市場に出したいと考えています。彼らは4インチのウェハーに数千のレーザーを配置する計画で、それによってレーザー1個あたりのコストを大幅に下げることができます。