激光器新突破：照亮未来科技之路

激光器新突破：照亮未来科技之路

近期，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）在激光器研究上取得重大突破，研发出一种基于铥元素的拍瓦级激光技术。这一突破不仅有望大幅提升芯片制造效率，还可能为激光技术在医疗、通信、科研等领域的广泛应用注入新的活力。

LLNL研发的这种新型激光器，旨在取代当前极紫外光刻（EUV）工具中使用的二氧化碳激光器，并将光源效率提升约十倍。这一突破可能为新一代“超越 EUV”的光刻系统铺平道路，从而以更快的速度和更低的能耗制造芯片。

当前的EUV光刻系统能耗问题备受关注。以低数值孔径（Low-NA）和高数值孔径（High-NA）EUV光刻系统为例，其功耗分别高达1,170千瓦和1,400千瓦。这种高能耗主要源于EUV系统的工作原理：高能激光脉冲以每秒数万次的频率蒸发锡滴（50万摄氏度），以形成等离子体并发射13.5纳米波长的光。这一过程不仅需要庞大的激光基础设施和冷却系统，还需要在真空环境中进行以避免EUV光被空气吸收。此外，EUV工具中的先进反射镜只能反射部分EUV光，因此需要更强大的激光来提高产能。

LLNL主导的“大口径铥激光”（BAT）技术旨在解决上述问题。与波长约为10微米的二氧化碳激光器不同，BAT激光器的工作波长为2微米，理论上能够提高锡滴与激光相互作用时的等离子体到EUV光的转换效率。此外，BAT系统采用二极管泵浦固态技术，相较于气体二氧化碳激光器，具有更高的整体电效率和更好的热管理能力。

在能量转换效率方面，四川大学电子信息学院及长光华芯的王俊教授研究团队取得了重要突破。通过理论模拟与实验相结合，研究团队发现多结VCSEL在电光转换效率方面具有显著优势。模拟表明，20结VCSEL在室温下可以实现超过88%的效率。实验中，15结VCSEL在室温下实现了最高74%的效率，相应的微分量子效率超过1100%，是迄今为止报道的VCSEL最大的电光转换效率和微分量子效率。

在精度和稳定性方面，重庆大学朱涛教授课题组在窄线宽激光技术研究中取得了重要进展。窄线宽激光器具有光谱纯度高、相干长度长、相位噪声低等优点，被广泛应用于引力波探测、冷原子物理、相干光通信、光学精密测量以及微波光子信号处理等领域。研究团队提出通过外部微弱的分布扰动信号来有效抑制激光腔的自发辐射，从而在常态条件下实现激光光谱深度纯化的新思想。在此基础上，提出了一种主腔结合弱分布反馈外腔的激光新构型，在常态条件下实现了十赫兹量级及以下的自适应超窄线宽激光输出。

在医疗领域，激光器结合了切割、摘除和凝固等特性，可实现精确、几乎不流血的手术，同时能够通过激光的热量对区域进行消毒。然而，医疗激光器在运行时会产生大量废热，影响激光器性能。制造商需要解决温度稳定性、限制噪声、空间限制和降低功耗等挑战。

在通信领域，无线光通信技术以激光作为载体传递信息，具有传输容量大、架设方式灵活、抗电磁干扰和保密性强等优势。半导体激光器在光纤通信系统中的应用，包括法布里－泊罗（FP）- LD、分布式反馈（DFB）-LD和垂直腔面发射激光器（VCSEL）等不同类型激光器的性质和应用。这些研究展示了激光器在高速数据通信中的应用潜力。

展望未来，激光技术的突破将为科技创新和产业变革带来新的机遇。随着激光器在能量转换效率、精度和稳定性等方面的不断提升，我们有理由相信，激光技术将在更多领域展现出其独特的优势，为人类社会的发展注入新的动力。