在絕大多數(shù)人印象中，激光意味著切割、焊接，甚至是科幻電影中的高能武器，但在位于溫州的浙江法拉第激光科技有限公司實驗室內(nèi)，激光扮演著截然不同的角色——它不是用來破壞的“巨錘”，而是用來感知的“繡花針”。
這里誕生的全自動穩(wěn)頻激光器，功率不及工業(yè)激光的百萬分之一，卻以極高的頻率穩(wěn)定性和精準度，成為連接微觀量子世界與宏觀應用的橋梁，一舉打破了國外企業(yè)在該領域長達數(shù)十年的技術壟斷，為我國量子科技的發(fā)展安上了精準的“中國心”。
用激光同原子對話
“談到激光很多人第一時間想到的是激光切割或者電影中炫酷的激光武器，但我們的激光不同，我們用激光去和粒子對話。”浙江法拉第激光科技有限公司總經(jīng)理劉珍峰說。
與常見的激光切割、焊接等高功率應用不同，法拉第激光采用的是“信息型”用法，而非“能量型”用法。傳統(tǒng)激光切割機功率通常在幾千瓦到上萬瓦，而法拉第的全自動穩(wěn)頻激光器功率僅為幾十毫瓦甚至1毫瓦，比傳統(tǒng)激光低100萬倍。
“我們利用的是激光的相干性好、單色性好等特性，通過精確控制激光頻率，讓它能和構成物質(zhì)世界的最基本單元——原子‘對話’。”劉珍峰說。
原子世界是怎樣的？就像地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，電子也在繞著原子核運動，并且有固定的“軌道”。劉珍峰介紹，法拉第公司的激光通過用特定頻率的光子敲擊電子，讓電子能夠處于不同的能級，激光對能級躍遷的控制與探測可以感知粒子的量子態(tài)，從而測量出影響量子態(tài)的極弱電場或磁場等變化。
“很多人也許會疑惑為什么要這么精準地測量出粒子的躍遷頻率和極弱電場的變化？這看著與我們的日常生活很遠，但其實它離我們的生活很近。”劉珍峰表示，每個人幾乎都用過GPS定位，它背后的原理就是接收天上的衛(wèi)星信號，手機接收到信號后就能測出你同衛(wèi)星的距離，而通過定位3顆以上衛(wèi)星就能確定你處于地球上哪一個點，當接收到的時間越準，定位的精度就越高。要想傳輸?shù)臅r間準確，就需要衛(wèi)星里搭載的原子鐘能更精準，而我們研究的穩(wěn)頻激光器就是保證原子鐘精準的核心，但在此之前，這個“核心”一直都沒能實現(xiàn)國產(chǎn)化突破。
做國產(chǎn)化穩(wěn)頻激光器
“我們的技術最開始來源于北京大學量子電子學研究所，量子作為現(xiàn)在高校里面研究的熱點，需要使用激光器，然而高校的老師要研究就只能從國外采購激光器，這讓我意識到中國人應該有自己的激光器。”劉珍峰表示，從那時起他們就堅定了要做一臺國產(chǎn)化的穩(wěn)頻激光器。
2018年10月，溫州激光與光電子協(xié)同創(chuàng)新中心及中心孵化企業(yè)——浙江法拉第激光科技有限公司注冊成立，劉珍峰團隊開始了長達7年的國產(chǎn)化之路。
要想精準測量出粒子的量子態(tài)就需要激光器極其穩(wěn)定、精準，那么具體需要多“準”、多“穩(wěn)”呢？答案超乎想象。
激光的本質(zhì)是一種光波，有特定的波長。法拉第激光器要穩(wěn)定的，就是這個波長的“刻度”。他們用了一個非常形象的對比：一根頭發(fā)絲，每秒鐘生長約4納米（即4000皮米）。而他們的激光器，要求一整天的波長漂移量不能超過1個皮米！這還不夠。“要與原子進行有效‘對話’，穩(wěn)定性還得再提高一百萬倍。”為此他們團隊進行了上百次的測試，先后對產(chǎn)品進行了十次迭代升級。
此外，想要做到國產(chǎn)化，很多元件都必須是國內(nèi)生產(chǎn)的，比如底層的元器件如發(fā)光元件。國外對這個工藝的研究已經(jīng)長達30年，國內(nèi)基本是從頭開始，并且還要驗證做出來的產(chǎn)品好不好。“我們?yōu)榇寺?lián)合了好幾家公司一起開發(fā)這個發(fā)光元件，每一家只做其中的一步，但這個產(chǎn)品好不好，哪步好哪步不好，都需要我們安裝多臺激光器去驗證。”劉珍峰表示，他們前后花了4年時間做這一個發(fā)光元件，其間改版了20余次，累計安裝200臺以上的激光器去驗證這個元件。
如今法拉第制造的全自動穩(wěn)頻激光器，噪聲控制方面可以將背景干擾降低上萬倍，讓量子信號清晰可辨，同時實現(xiàn)與國際頂尖水平相當?shù)逆i定精度，并且以成套設備交付，避免了用戶自行組裝的不確定性。“更重要的是，我們的激光器是全球首個擁有失鎖后能自動重鎖功能的激光器。”劉珍峰表示，“這就像給激光器裝上了‘自動駕駛’和‘自我修復’系統(tǒng)，一旦受到干擾偏離軌道，幾秒鐘內(nèi)就能自己找回去，能確保數(shù)年甚至更長時間的連續(xù)穩(wěn)定工作。”
提前布局量子領域應用
法拉第激光器在功能上的突破，不僅打破了國外技術壟斷，更在多個重要領域展現(xiàn)出應用潛力。
在5G通信領域，法拉第激光器可以為5G基站提供關鍵支持。“5G要求每秒鐘分得更細，數(shù)據(jù)傳輸更快，這就需要極其精準的時鐘。”劉珍峰解釋道，“我們的激光器讓原子鐘精度大幅提升，為5G通信的高速穩(wěn)定提供了保障。”
在探礦勘探領域，法拉第激光器的應用前景廣闊。“傳統(tǒng)探礦只能探測地下幾百米，而我們的激光器可以探測到地下兩公里甚至更深的礦藏。”劉珍峰舉例說，“通過測量地球引力的變化，我們可以判斷地下是否有金屬礦藏，為國家資源勘探提供有力支持。”
展望未來，法拉第計劃在提升現(xiàn)有產(chǎn)品性能的同時，還在拓展光學相干測量、氣體檢測等新領域。更長遠的目標，是在國際量子激光領域占據(jù)領導地位。
“量子科技的爆發(fā)只是時間問題。而我們是量子設備中核心器件的提供商。”劉珍峰這樣展望前景，“就像當年智能手機的爆發(fā)一樣，量子測量、腦機接口等應用一旦突破，整個產(chǎn)業(yè)鏈將迎來井噴，而我們已經(jīng)準備好了那束最精準的光。”
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