光学重大突破！指甲盖大小，生成任意颜色激光

光的颜色由其波长决定——红光约650纳米，蓝光约450纳米，而我们肉眼可见的范围仅限于这狭窄的一段。要获得其他颜色（比如用于医疗成像的红外光或用于精密制造的紫外光），传统方法依赖笨重的激光器和复杂的非线性晶体，通过“混频”过程将两束光“搅拌”出新频率。但这个过程效率极低，通常需要高功率激光、精密对准和庞大设备，几十年来一直是光学工程的瓶颈。

如今，斯坦福大学和麻省理工学院的科学家联手破解了这一难题：他们开发出一款指甲盖大小的硅芯片，只需输入普通激光，就能高效、稳定地生成全新波长的光，包括过去难以产生的深紫外和中红外波段。这项成果发表于《自然·光子学》，被业内称为“非线性光学的摩尔定律时刻”。

关键突破在于材料与结构的双重创新。传统非线性晶体（如铌酸锂）虽然能转换光频，但难以集成到芯片上；而硅本身非线性效应很弱。研究团队另辟蹊径，设计了一种三维光子晶体谐振腔——在硅片上蚀刻出数百万个纳米级孔洞，形成周期性结构。当激光注入时，光被囚禁在微小空腔内反复反射，能量密度急剧提升，从而极大增强硅的非线性响应。更巧妙的是，他们利用“准相位匹配”原理，通过精确调控孔洞排列的周期，让不同波长的光在传播中始终保持同步叠加，避免能量抵消。

结果令人惊叹：在仅几毫瓦的输入功率下（相当于一个激光笔），芯片成功将1550纳米通信波段的红外光，高效转换为520纳米绿光、380纳米紫外光，甚至3.5微米的中红外光。转换效率比传统芯片方案高出100倍以上，且输出光束质量高、方向性强。这意味着，过去需要整张实验桌的光学系统，现在可以缩小到一枚芯片。

那么，这有什么用？首先，便携式医疗设备将迎来革命。中红外光能精准识别分子“指纹”，可用于无创血糖监测、呼气分析检测癌症标志物；深紫外光则能杀菌或激发荧光标记，在野外快速诊断传染病。其次，在量子计算和通信中，不同波长的单光子源是构建量子网络的基础，而这款芯片可按需生成所需颜色的量子光。此外，它还能提升激光雷达（LiDAR）性能——多波长光源可同时探测距离、材质和化学成分，让自动驾驶汽车“看得更清、辨得更准”。

更深远的影响在于打破光学系统的“尺寸壁垒”。未来智能手机或许能集成微型光谱仪，实时分析食物新鲜度或皮肤健康；卫星上的环境监测仪器可大幅减重；甚至家用空气净化器也能用紫外芯片实时灭活病毒。

项目联合负责人、斯坦福大学教授Jelena Vučković表示：“我们不是在改进旧方法，而是重新定义了‘如何在芯片上操控光’。”她指出，该技术完全兼容现有半导体制造工艺，可大规模量产，成本低廉。

当然，挑战仍存：目前输出功率尚不足以替代工业级激光器，长期稳定性也需验证。但方向已明确——光，正从实验室走向每个人的口袋。

从牛顿用三棱镜分出七色光，到今天人类在芯片上“酿造”新颜色，我们对光的驾驭能力迈入新纪元。而这枚小小的硅片，或许就是照亮未来科技的关键一束光。

参考资料：“Multi-timescale frequency-phase matching for high-yield nonlinear photonics” by Mahmoud Jalali Mehrabad, Lida Xu, Gregory Moille, Christopher J. Flower, Supratik Sarkar, Apurva Padhye, Shao-Chien Ou, Daniel G. Suárez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Yanne Chembo, Kartik Srinivasan and Mohammad Hafezi, 6 November 2025, Science.
DOI: 10.1126/science.adu6368