激光器的內(nèi)部運(yùn)作來源自物理學(xué)領(lǐng)域，但激光的確已經(jīng)“走入”了人們的日常生活。收營員給顧客結(jié)賬商品時(shí)，需要用掃描槍對(duì)準(zhǔn)商品的條形碼標(biāo)簽；這個(gè)時(shí)候，顧客可能使用手機(jī)正在與朋友聊天，或者上網(wǎng)搜索COVID-19最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以上這些都有激光技術(shù)的參與。
激光發(fā)射特定波長的強(qiáng)光。在一個(gè)波長下，激光束在設(shè)計(jì)電路的計(jì)算機(jī)芯片上蝕刻圖案。在電信波長段，激光通過光纖發(fā)射大量數(shù)據(jù)，使我們進(jìn)入信息時(shí)代。
2017年，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校Boubacar Kante博士發(fā)明了一種新型激光器，當(dāng)年被專業(yè)期刊Physics World評(píng)為年度突破性發(fā)明之一。在Bakar Fellows資金資助下，Kante制造了新激光器的原型，并展示其在從顯微外科到衛(wèi)星遙測的一系列應(yīng)用中的潛力。
問：激光有很多應(yīng)用，從微觀到宏觀。它們?cè)诋?dāng)今的經(jīng)濟(jì)中扮演著多大的角色？
答：激光器是一個(gè)擁有10-200億美元的市場。比如疫情期間，許多公司的會(huì)議通過Zoom實(shí)現(xiàn)，激光脈沖通過光纖以光速來回傳輸，此時(shí)它們可以攜帶更多的數(shù)據(jù)并且比任何其他通信模式都快。另外，激光在醫(yī)療行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用包括白內(nèi)障手術(shù)中的組織切除。在工業(yè)領(lǐng)域，激光則是推進(jìn)無人機(jī)和自動(dòng)駕駛汽車導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。
問：您的發(fā)明會(huì)給激光器的功能增加了什么？
答：它們比典型的激光器小數(shù)千倍，小到只有頭發(fā)絲的寬度，但能夠發(fā)射大量的能量。這種新型激光器更緊湊、更輕。如果傳輸設(shè)備變得更小，那么信息傳播距離就會(huì)更短，傳播速度也會(huì)更快。因此，激光器工作所需的能量更少、更節(jié)能。
問：還有哪些其他特性使這種新激光技術(shù)更有用？
答：通常當(dāng)設(shè)備變得更緊湊時(shí)，往往會(huì)失去一些功能。但我們研發(fā)的激光器恰恰相反。激光以精確的波長發(fā)射光束，把它們想象成不同的顏色，而且由于高精度，波長可以緊密排列。大多數(shù)激光器僅發(fā)射一種波長的光。但是新發(fā)明的激光器允許激光“調(diào)諧”（tuned）到不同的波長。眾所周知，這可以提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和容量。波長可調(diào)性也可用于計(jì)量和傳感領(lǐng)域。
同時(shí)，新的激光器還可以控制激光束，即改變光發(fā)射的角度。目前，當(dāng)衛(wèi)星或無人駕駛汽車或無人機(jī)需要將激光束指向不同方向時(shí)，必須機(jī)械地轉(zhuǎn)動(dòng)激光。這自然會(huì)限制速度并使系統(tǒng)體積龐大。我們正在開發(fā)的激光器可以在不旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的情況下發(fā)光，并且可以通過電子方式進(jìn)行角度調(diào)諧。因此，激光器質(zhì)量輕，非常緊湊，波長和方向均可調(diào)諧。與當(dāng)前的機(jī)械控制激光器相比，它具有能源效率并且大規(guī)模制造成本更低。
問：請(qǐng)解釋一下新激光器的多功能性？
答：本質(zhì)上，類似于微波爐的工作原理，激光是從盒子中發(fā)出光束。為了增強(qiáng)光的強(qiáng)度，人們制造了激光束，同時(shí)光被長時(shí)間限制在盒子內(nèi)部。我們發(fā)明了一種不同的方法以控制光的強(qiáng)度增加，允許精確波長的光通過至少兩個(gè)通道從盒子中逸出。當(dāng)逃逸波相互作用時(shí)，它們可以相互抵消，這稱為破壞性干擾。逃逸的光疊加之后相互抵消，最后歸零。
我們制作了一個(gè)獨(dú)特的空腔，這種捕波機(jī)制的多功能性使激光器重量輕、波長可調(diào)和可控。
問：您現(xiàn)在需要采取哪些步驟才能從發(fā)明階段轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)儀器？
答：將發(fā)現(xiàn)推入制造階段的技術(shù)成本非常高。Bakar Fellows的資助將使我們能夠在加州伯克利分校的Marvell Nanofabrication實(shí)驗(yàn)室制造原型。它包括一個(gè)“潔凈室”，過濾掉灰塵和氣溶膠顆粒等污染物。希望兩三年后，我們的發(fā)明會(huì)引起企業(yè)關(guān)注。
延伸閱讀
2017年，加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校物理學(xué)家Boubacar Kante和他的同事在《科學(xué)》雜志雜志上刊登他們關(guān)于“拓?fù)淝弧保╰opological cavities）的研究成果。傳統(tǒng)的激光腔通常只能做成環(huán)形，這會(huì)降低芯片空間的使用率。Kante團(tuán)隊(duì)研制的基于拓?fù)浣^緣體原理的新型激光腔通過在新型激光腔上添加磁場，可以自由控制激光方向。
環(huán)形激光腔帶來的結(jié)果是，如果工程師想要在一塊芯片上放置多個(gè)激光器，比如用于光學(xué)通信和計(jì)算，那么環(huán)之間的大量可用空間會(huì)浪費(fèi)掉。當(dāng)時(shí)，Kante所在的研究小組通過研發(fā)一種拓?fù)淝唤Y(jié)構(gòu)克服這個(gè)形狀上的局限。
在Kante研發(fā)的系統(tǒng)中，一個(gè)光子晶體位于另一個(gè)不同的光子晶體中，而兩種不同晶體接觸形成的界面就是激光腔。晶體就位后，研究團(tuán)隊(duì)在上面施加磁場，使系統(tǒng)變成了一種拓?fù)浣^緣體的光學(xué)等價(jià)物，拓?fù)浣^緣體內(nèi)部由絕緣材料構(gòu)成，但電能沿著材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)。在一個(gè)光子晶體拓?fù)浣^緣體中，光線的流動(dòng)被約束在晶體結(jié)構(gòu)接觸的表面。改變磁場信號(hào)就能改變光線發(fā)射的方向。
新設(shè)備的直接應(yīng)用價(jià)值是工程師能在一塊芯片內(nèi)更密集地安置激光器，從而使得光通信變得更加高速。而擁有新的控制光線的技術(shù)最終可能有助研發(fā)出新型的光子器件，為全光學(xué)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生鋪平道路，這將比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)更快、更節(jié)能。
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