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激光器的內(nèi)部運作來源自物理學(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，需要用掃描槍對準商品的條形碼標簽；這個時候，顧客可能使用手機正在與朋友聊天，或者上網(wǎng)搜索COVID-19最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以上這些都有激光技術(shù)的參與。

激光發(fā)射特定波長的強光。在一個波長下，激光束在設(shè)計電路的計算機芯片上蝕刻圖案。在電信波長段，激光通過光纖發(fā)射大量數(shù)據(jù)，使我們進入信息時代。

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。它們在當(dāng)今的經(jīng)濟中扮演著多大的角色？
答：激光器是一個擁有10-200億美元的市場。比如疫情期間，許多公司的會議通過Zoom實現(xiàn)，激光脈沖通過光纖以光速來回傳輸，此時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，激光則是推進無人機和自動駕駛汽車導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。

問：您的發(fā)明會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更短，傳播速度也會更快。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，往往會失去一些功能。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)性也可用于計量和傳感領(lǐng)域。

同時，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需要將激光束指向不同方向時，必須機械地轉(zhuǎn)動激光。這自然會限制速度并使系統(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。為了增強光的強度，人們制造了激光束，同時光被長時間限制在盒子內(nèi)部。我們發(fā)明了一種不同的方法以控制光的強度增加，允許精確波長的光通過至少兩個通道從盒子中逸出。當(dāng)逃逸波相互作用時，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。
我們制作了一個獨特的空腔，這種捕波機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實驗室制造原型。它包括一個“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“拓撲腔”（topological cavities）的研究成果。傳統(tǒng)的激光腔通常只能做成環(huán)形，這會降低芯片空間的使用率。Kante團隊研制的基于拓撲絕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激光器，比如用于光學(xué)通信和計算，那么環(huán)之間的大量可用空間會浪費掉。當(dāng)時，Kante所在的研究小組通過研發(fā)一種拓撲腔結(jié)構(gòu)克服這個形狀上的局限。
在Kante研發(fā)的系統(tǒng)中，一個光子晶體位于另一個不同的光子晶體中，而兩種不同晶體接觸形成的界面就是激光腔。晶體就位后，研究團隊在上面施加磁場，使系統(tǒng)變成了一種拓撲絕緣體的光學(xué)等價物，拓撲絕緣體內(nèi)部由絕緣材料構(gòu)成，但電能沿著材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)。在一個光子晶體拓撲絕緣體中，光線的流動被約束在晶體結(jié)構(gòu)接觸的表面。改變磁場信號就能改變光線發(fā)射的方向。

新設(shè)備的直接應(yīng)用價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)計算機的產(chǎn)生鋪平道路，這將比現(xiàn)在的計算機更快、更節(jié)能。