上海大学在半导体制造领域获得新突破，超窄带宽激光器研发成功

在科技飞速发展的当下，激光技术作为现代科学的关键领域，不断推动着众多行业的革新与进步。上海大学的研究团队在激光技术的探索中迈出了重要一步，成功开发出一种脉冲宽度可调的超窄带宽锁模激光器。这一成果于 2025 年发表在学术期刊《Advanced Photonics Nexus》上，为激光技术的应用带来了新的可能性，尤其在工业切割、半导体制造等对激光精度和灵活性要求极高的领域，具有不可估量的价值。

激光器，这个我们并不陌生的设备，其原理类似于一个 “光放大器”。在激光器内部，光在镜子间来回反射，每一次反射都伴随着能量的增加，从而实现光的放大。普通的连续激光器，发出的光是持续不断的，如同一条平静流淌的河流。而锁模激光器却截然不同，它就像一位神奇的指挥家，能够将不同波长的光 “锁” 在一起，进而产生极短的脉冲。

想象一下，夜空中闪烁的繁星，锁模激光器产生的脉冲就如同这繁星中最为密集、明亮的闪光点，在极短的时间内释放出强大的能量。这种特性使得短脉冲在诸如钻石切割、芯片加工等精细作业中发挥着关键作用。因为更为精确的脉冲能够在加工过程中极大地减少对材料的损伤，如同一位技艺精湛的工匠，精准地雕琢每一处细节，同时还能显著提高加工效率，让生产过程更加高效、优质。然而，在过去，锁模激光器一直存在着一个难以突破的瓶颈 —— 其脉冲宽度是固定的，缺乏灵活性。这就好比我们手中的一把尺子，只有单一的刻度，在面对各种不同尺寸的测量需求时，常常显得力不从心，无法满足多样化的实际应用场景。

那么，脉冲宽度为何在激光应用中如此重要呢？我们不妨以激光切割钻石为例来直观理解。钻石，作为自然界中最为坚硬的物质之一，其切割需要极高的精度和恰到好处的能量控制。如果激光脉冲太短，就如同用一把过于纤细的刀去切割坚硬的物体，可能无法达到足够的深度，无法完成切割任务；而如果脉冲太长，又仿佛使用了一把过于炽热的烙铁，容易对钻石周边的材料造成过度的热损伤，影响钻石的品质和切割效果。上海大学团队研发的这项新技术，恰恰成功地攻克了这一长期以来困扰激光应用的难题。

该团队在研发过程中巧妙运用了两个至关重要的 “零件”。其一，是采用单壁碳纳米管制作的饱和吸收体。这一小小的元件，却拥有着令人惊叹的能力，它能够以极快的速度 “开关” 激光脉冲，其恢复时间达到了飞秒级（要知道，一飞秒仅仅是百万分之一纳秒，这个时间尺度之短，远远超出了我们日常的感知），这种超快的响应速度，就如同闪电一般迅速，为精确控制激光脉冲的产生和终止提供了可能。其二，是由光纤布拉格光栅制成的新型滤波器。这两个滤波器相互配合，宛如一对忠诚的 “门神”，守护着激光的传播路径，只允许特定波长的光通过。更为关键的是，它们的重叠部分极为狭窄，正是通过这种精确的控制，实现了对脉冲带宽的有效调控。

而实现脉冲宽度调谐的关键窍门，则在于巧妙地利用机械应力。研究人员如同一位经验丰富的调音师，对其中一个光栅施加压力，这个过程就像是轻轻拉伸一根橡皮筋，看似简单的操作，却能够改变光栅反射的波长范围。随着这一变化，两个滤波器的重叠区域也随之改变，如同调整了一扇门的开合程度，进而实现了对脉冲宽度的灵活调节。在实际的实验中，研究人员成功地将脉冲从 481 皮秒调整到了 1.38 纳秒。481 皮秒，这个时间短到难以想象，一皮秒是万亿分之一秒，比自然界中最为迅猛的闪电持续时间还要短得多；而 1.38 纳秒则是十亿分之一点三八秒。如此近 1 纳秒的调谐范围，成功打破了以往同类激光器的记录，为激光技术的发展开辟了新的天地。并且，如果对两个光栅同时施加压力，脉冲宽度的调谐范围还能够进一步拓宽，展现出了该技术强大的可拓展性。

这一突破在实际应用中蕴含着巨大的价值。在钻石切割领域，短脉冲能够凭借其高能量密度，精准地在钻石上打孔，如同在坚硬的堡垒上打开一个个精确的通道；而在半导体制造过程中，长脉冲则能够以更为温和的方式作用于半导体材料，有效避免因过热而产生的损伤，确保半导体芯片的质量和性能。此外，该团队还对激光腔结构进行了精心优化，使得激光器的重复频率低于 1 兆赫兹，这意味着每秒产生的脉冲数少于 100 万次。这一优化带来的直接好处就是显著降低了激光器的功耗，就好比将一个耗能巨大的 “电老虎” 成功转变为了节能高效的 “节能标兵”，在提高能源利用效率的同时，也降低了使用成本。与传统的固定脉冲宽度激光器相比，这种新型激光器就如同从只能拍摄固定焦距画面的相机，升级为了能够自由变焦的先进镜头，极大地提升了在不同应用场景下的灵活性和适应性。

为了确保这项技术的可靠性和稳定性，研究团队还进行了数值模拟。通过复杂而精确的计算和模拟，进一步验证了实验结果的准确性和技术的可行性，为该技术的进一步发展和应用提供了坚实的理论支持。上海大学的牟成波（音译）教授表示，这一成果不仅仅是在激光器设计方面的创新，更重要的是，为高精度制造领域提供了一种理想的光源，如同为精密制造领域点亮了一盏明灯，指引着未来的发展方向。