硬币大小激光器革新光学计量技术

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在探索微观奥秘与丈量宏观宇宙的征程中，人类始终渴望更精准的“尺子”。光学计量学是专门利用光波作为精密探针的科学，正是这样一把无形的利器，它通过分析光与物质相互作用时产生的细微变化，得以解析材料的特性、探测物体的位移，甚至捕捉引力波这般宇宙级的微弱涟漪。

从尖端实验室的量子实验到工厂车间的精密制造，再到自动驾驶汽车感知周遭世界的“眼睛”，光学计量技术无处不在，为现代科技的发展铺设着精确的基石。

然而，传统光学计量装置往往因其体积庞大、成本高昂且操控复杂，限制了其在追求小型化与实时性的场景中施展拳脚。突破这一瓶颈，实现光学测量技术的微型化与高效能集成，正成为引领下一代传感与探测革命的关键所在。

近日，美国罗切斯特大学（University of Rochester）牵头，联合加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara，简称UCSB）的研究人员，开发出一种比一分钱硬币还小的激光装置。

研究团队表示，这种装置可以为从自动驾驶汽车中使用的激光雷达（LiDAR）系统，到引力波探测（这是现存用于观测和理解宇宙最精密的实验之一）等各种应用，提供最先进的光学计量技术。

光学计量学是基于激光的测量技术，可用于研究物体和材料的物理特性。罗切斯特大学和UCSB的科学家研发的这种新型芯片级激光器，能够通过以极快的速度（约每秒百亿亿次），在宽光谱范围内精确地改变自身颜色，来进行精确测量。

与传统的硅光子学不同，这种激光器采用了一种称为铌酸锂的合成材料制成，并利用了泡克尔斯效应（Pockels effect）物理现象（该现象在电场存在时会改变材料的折射率）。目前该研究成果已经发表在《Light: Science & Applications》（光：科学与应用）学术期刊上。

罗切斯特大学哈吉姆工程与应用科学学院（Hajim School of Engineering & Applied Sciences）下电气与计算机工程系（Department of Electrical and Computer Engineering）兼光学研究所（The Institute of Optics）主任教授Qiang Lin表示，科研团队瞄准的几项应用已经可以从设计中获益：

首先是一个激光雷达（LiDAR）应用，它主要应用于自动驾驶汽车。研究团队研发出更先进的形式，称之为调频连续波（FMCW）激光雷达，需要大的调谐范围和快速的激光频率调谐，而这正是此次新研发的激光器能做到的。

同时，研究人员展示了新型芯片级激光器如何被用于驱动旋转圆盘上的激光雷达系统，并识别出由乐高积木拼成的字母“U”和“R”。他们表示，这种微型演示可以扩展用于在高速公路上，检测车辆的速度，或者是车辆与障碍物的距离。

此外，还展示了这种芯片级激光器如何用于Pound-Drever-Hall（PDH）激光频率锁定，这是一种用于收窄、稳定和降低激光噪声的常用技术。这是一个非常重要的过程，可用于光学时钟，它能以极高的精度测量时间。新型芯片级激光器可以将所有这些功能集成到一个非常小的芯片中，并且可以通过电调谐。

罗切斯特大学电气与计算机工程系（ECE）的学术领域具有广泛的社会影响，有多个与能源、健康与医学、互联世界和音乐相关的项目。ECE系开设的本科、硕士、博士学位，具体有：电气与计算机工程学士学位、电气工程硕士学位、诊断成像硕士学位、电气工程博士学位。

ECE系将电气工程与计算机工程相结合，为学生深度培养关于电路与系统、电磁学、机器人技术、微电子学、数字系统、计算机架构、信号与通信这七个专业领域的基础知识。

同时，ECE的毕业生表现优异，在大型及小型企业中崭露头角，涉及多个行业领域。这些企业包括：Bose、Google、Apple、IBM、Siemens、GM、Microsoft、Intel、Verizon、Amazon等。学术倾向较强的毕业生，则选择在行业内或更广泛领域担任教职或研究职位。光学计量技术作为现代科技的重要基石，其微型化突破将深刻影响自动驾驶、精密制造、引力波探测等前沿领域。因此，芯片级激光器等微型化光学计量技术的研发成为行业热点，具有广阔的发展前景。