硬币大小的芯片级激光器以创纪录的每秒百亿亿帧速度捕捉运动

从测绘地形到分析材料，激光提供了令人难以置信的精度。

新开发的芯片级激光器应用广泛，从引导自动驾驶汽车到探测引力波。

罗切斯特大学和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员研制出了这款比硬币还小的激光装置。

基于激光的测量，或称光学测量，对于理解我们的世界至关重要。从测绘地形到分析材料，激光都能提供令人难以置信的精度。

主要的障碍一直以来都是庞大昂贵的设备，这使得广泛、经济高效的采用变得困难 —— 直到现在，因为这种新型芯片级激光器可能改变一切。

无与伦比的激光速度

这款创新的芯片拥有非凡的能力，它可以通过在广阔的光谱范围内改变其颜色，以无与伦比的速度和精度进行测量。

令人惊讶的是，该芯片改变其光颜色的速率达到了惊人的每秒约10^19次（百亿亿次）。

这种快速而精确的可调谐性使得精确的光学测量成为可能，为需要即时、精细控制激光特性的先进应用打开了大门。

“我们有几个目标应用已经可以从我们的设计中受益，” 薛世新（音译）说，他是由电气与计算机工程及光学系主任教授林强（音译）指导的博士生。“首先是激光雷达（LiDAR），它已用于自动驾驶汽车，但一种更先进的形式 —— 调频连续波（FMCW）激光雷达 —— 需要激光器具有大的调谐范围和快速的频率调谐能力，而这正是我们的激光器所能做到的。”

激光雷达（LiDAR，光探测与测距）是一种广泛使用的遥感技术。它通过发射脉冲激光并计算激光从物体反射回传感器所需的时间来测量距离。

该技术可为自动驾驶汽车和精细测绘等应用创建周围环境的三维模型。

测试中展现前景

这种新型微型芯片由一种称为铌酸锂的合成材料制成。

该设备利用了普克尔斯效应（Pockels effect），这是一种显著的物理特性，能使电场改变材料的光折射能力。

研究人员通过将他们的新型芯片级激光器集成到一个微型激光雷达系统中，展示了其潜力。该系统安装在一个旋转盘上，成功识别出了特定的乐高积木（形状为“U”和“R”）。

这个小规模演示突显了该激光器精确测距和识别物体的能力。

研究团队相信，这项技术可以扩展到实际应用中，例如在高速公路速度和距离下探测车辆和障碍物，这对于自动驾驶至关重要。

但应用远不止于此。研究人员还展示了它在庞德-德雷弗-霍尔（Pound-Drever-Hall）激光频率锁定技术中的应用。这是一种用于稳定激光器并降低其噪声的技术。

“这是一个非常重要的过程，可用于光学原子钟，它能以极高的精度测量时间，” 薛世新补充道。

通常，搭建一个用于精确激光控制的系统（如光学原子钟中使用的系统）需要一系列笨重的仪器，如隔离器、声光调制器和相位调制器。

“我们的激光器可以将所有这些功能集成到一个非常小的芯片中，并且可以通过电信号进行调谐，” 作者指出。

最近，YouTube博主兼发明家Styropyro制造了一款250瓦的手持激光装置，他声称其功率大约是标准商用激光笔的50000倍。

这项研究成果发表在《光：科学与应用》期刊上。

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