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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(zhǔn)度，成為連接微觀量子世界與宏觀應(yīng)用的橋梁，一舉打破了國外企業(yè)在該領(lǐng)域長達(dá)數(shù)十年的技術(shù)壟斷，為我國量子科技的發(fā)展安上了精準(zhǔn)的“中國心”。

用激光同原子對(duì)話

“談到激光很多人第一時(shí)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(duì)話?！闭憬ɡ诩す饪萍加邢薰究偨?jīng)理劉珍峰說。

與常見的激光切割、焊接等高功率應(yīng)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(jī)功率通常在幾千瓦到上萬瓦，而法拉第的全自動(dòng)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(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元——原子‘對(duì)話’?！眲⒄浞逭f。

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(yùn)動(dòng)，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(jí)，激光對(duì)能級(jí)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(huì)疑惑為什么要這么精準(zhǔn)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(yuǎn)，但其實(shí)它離我們的生活很近?！眲⒄浞灞硎荆總€(gè)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(hào)，手機(jī)接收到信號(hào)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(gè)點(diǎn)，當(dāng)接收到的時(shí)間越準(zhǔn)，定位的精度就越高。要想傳輸?shù)臅r(shí)間準(zhǔn)確，就需要衛(wèi)星里搭載的原子鐘能更精準(zhǔn)，而我們研究的穩(wěn)頻激光器就是保證原子鐘精準(zhǔn)的核心，但在此之前，這個(gè)“核心”一直都沒能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化突破。

做國產(chǎn)化穩(wěn)頻激光器

“我們的技術(shù)最開始來源于北京大學(xué)量子電子學(xué)研究所，量子作為現(xiàn)在高校里面研究的熱點(diǎn)，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(shí)到中國人應(yīng)該有自己的激光器?！眲⒄浞灞硎?，從那時(shí)起他們就堅(jiān)定了要做一臺(tái)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(cè)成立，劉珍峰團(tuán)隊(duì)開始了長達(dá)7年的國產(chǎn)化之路。

要想精準(zhǔn)測量出粒子的量子態(tài)就需要激光器極其穩(wěn)定、精準(zhǔn)，那么具體需要多“準(zhǔn)”、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(gè)波長的“刻度”。他們用了一個(gè)非常形象的對(duì)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(gè)皮米！這還不夠?！耙c原子進(jìn)行有效‘對(duì)話’，穩(wěn)定性還得再提高一百萬倍?！睘榇怂麄儓F(tuán)隊(duì)進(jìn)行了上百次的測試，先后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了十次迭代升級(jí)。

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(duì)這個(gè)工藝的研究已經(jīng)長達(dá)30年，國內(nèi)基本是從頭開始，并且還要驗(yàn)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(gè)發(fā)光元件，每一家只做其中的一步，但這個(gè)產(chǎn)品好不好，哪步好哪步不好，都需要我們安裝多臺(tái)激光器去驗(yàn)證?！眲⒄浞灞硎?，他們前后花了4年時(shí)間做這一個(gè)發(fā)光元件，其間改版了20余次，累計(jì)安裝200臺(tái)以上的激光器去驗(yàn)證這個(gè)元件。

如今法拉第制造的全自動(dòng)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(hào)清晰可辨，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與國際頂尖水平相當(dāng)?shù)逆i定精度，并且以成套設(shè)備交付，避免了用戶自行組裝的不確定性?！案匾氖牵覀兊募す馄魇侨蚴讉€(gè)擁有失鎖后能自動(dòng)重鎖功能的激光器?！眲⒄浞灞硎?，“這就像給激光器裝上了‘自動(dòng)駕駛’和‘自我修復(fù)’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(shí)間的連續(xù)穩(wěn)定工作。”

提前布局量子領(lǐng)域應(yīng)用

法拉第激光器在功能上的突破，不僅打破了國外技術(shù)壟斷，更在多個(gè)重要領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

在5G通信領(lǐng)域，法拉第激光器可以為5G基站提供關(guān)鍵支持?！?G要求每秒鐘分得更細(xì)，數(shù)據(jù)傳輸更快，這就需要極其精準(zhǔn)的時(shí)鐘?！眲⒄浞褰忉尩溃拔覀兊募す馄髯屧隅娋却蠓嵘?，為5G通信的高速穩(wěn)定提供了保障。”

在探礦勘探領(lǐng)域，法拉第激光器的應(yīng)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?！眲⒄浞迮e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?！?/p>

展望未來，法拉第計(jì)劃在提升現(xiàn)有產(chǎn)品性能的同時(shí)，還在拓展光學(xué)相干測量、氣體檢測等新領(lǐng)域。更長遠(yuǎn)的目標(biāo)，是在國際量子激光領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。

“量子科技的爆發(fā)只是時(shí)間問題。而我們是量子設(shè)備中核心器件的提供商?！眲⒄浞暹@樣展望前景，“就像當(dāng)年智能手機(jī)的爆發(fā)一樣，量子測量、腦機(jī)接口等應(yīng)用一旦突破，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈將迎來井噴，而我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了那束最精準(zhǔn)的光。”