科学家造出芯片级激光器，从汽车激光雷达到引力波探测都将迎来变革
来源:科学剃刀
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作者:proac3c72
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发布时间 :2025-06-06
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罗切斯特大学和加州大学圣塔芭芭拉分校的工程师们把精密测量仪器塞进了比一美分硬币还小的芯片里。2025年6月2日发表在《Light: Science & Applications》的论文显示，这种基于铌酸锂材料的微型激光器，调频速度达到每秒10的19次方次——1后面跟着19个零，比现有设备快几个数量级。
图释：工程学教授 Qiang Lin 实验室的研究人员开发了一种新的芯片级激光器，可以通过在非常快的光谱中以非常快的速度非常精确地改变其颜色，从而进行极其快速和准确的测量。图片来源：J. Adam Fenster/罗切斯特大学
图释：工程学教授 Qiang Lin 实验室的研究人员开发了一种新的芯片级激光器，可以通过在非常快的光谱中以非常快的速度非常精确地改变其颜色，从而进行极其快速和准确的测量。图片来源：J. Adam Fenster/罗切斯特大学
传统光学计量仪器有多麻烦？测个距离或分析材料特性，往往需要占据半个实验室桌面的激光系统、隔离器、调制器等一堆铁盒子，贵且笨重。新玩意儿的核心突破在于用人工晶体铌酸锂替代硅，靠泡克尔斯效应干活：加个电场就能精准扭曲材料折射率，相当于给激光装了电子方向盘，毫秒级切换不同颜色（频率）。
图释：用于光学计量应用的集成普克尔斯激光器的概念。信用：光：科学与应用（2025）。DOI： 10.1038/s41377-025-01872-4
图释：用于光学计量应用的集成普克尔斯激光器的概念。信用：光：科学与应用（2025）。DOI： 10.1038/s41377-025-01872-4
薛世新（Shixin Xue）博士在实验室演示时，这枚比指甲盖还小的芯片驱动着旋转的激光雷达盘，轻松识别出乐高积木拼成的“U”和“R”字母。别小看这玩具级的演示——换成实际道路场景，意味着未来自动驾驶汽车的激光雷达能缩进车灯缝隙里，照样精准捕捉百米外高速移动的障碍物。
更狠的应用在精密物理实验。以往搞激光稳频（比如原子钟或探测引力波），需要层层设备过滤激光噪声，整套系统抵得上一台冰箱大小。现在同个芯片直接输出超纯净激光，连PDH稳频技术需要的光学调制器都省了。想象下天文台地下室塞满屋子的引力波探测装置，未来可能变成鞋盒大小的模块。
为什么铌酸锂是关键？硅材料天生“光学麻木”，加电场几乎不改变光学特性。铌酸锂却像光学界的压电陶瓷，微电压就能撬动巨大光学响应。不过过去二十年，人们总抱怨它难加工、损耗大。这次团队用薄膜铌酸锂结合纳米波导，硬是把性能压榨到理论极限附近。
看实际数据更震撼：传统可调激光器调频范围撑死几百GHz，新器件直接飙到THz级别；调频线性度误差仅0.024%，相当于射击百米外靶心偏差不到半根头发丝。这些数字背后是未来手机可能内置环境3D扫描仪，或是深海探测器揣着芯片就能测绘海底断层。
当然离实用还有坎。比如现在器件输出功率才毫瓦级，给汽车雷达用得先堆叠放大。但团队用硅基电路直接驱动光学芯片的设计思路，本质上把光机电捆成了集成电路——这比纯光子芯片更容易塞进现有电子工业流水线。毕竟产线上多一道纳米压印工序，比新建整个光子晶圆厂现实得多。
当量子计算还在实验室蹒跚学步时，这类‘经典光学极限突破’正悄悄改造现实世界。想想二十年前超级计算机才能处理的图像识别，如今你手机扫码就能搞定。激光测量芯片化意味着什么？或许下次地震时，无人机群撒下的纽扣大小探测器，就能实时测绘地表毫米级位移。
参考文献：
Shixin Xue et al, Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01872-4
