Nature | 可扩展新型单模半导体激光器

      研究员发明了一种新型半导体激光器，它在光学领域实现了一个非常有难度的目标：既能保持发射光的单一模式，又能保持在尺寸和功率上的放大能力。这是一项成就，意味着改变输出尺寸不必以牺牲相干性为代价，从而使激光更强大，能够覆盖更长的距离，有更广泛的应用领域。

      Boubacar Kanté、Chenming Hu科学家领导的研究团队，结果表明，具有均匀间距和相同尺寸孔的半导体膜可以作为一个完美的可伸缩激光腔。他们证明，无论腔的大小，激光都会发出一致的单一波长。

      研究人员在6月29日 发表在《Nature》上的一项研究中描述了他们的发明，称为伯克利表面发射激光器（Berkeley Surface Emission Laser，BerkSELs）。

      Kanté说：“自从1960年第一台激光器问世以来，增加单模激光器的尺寸和功率一直是光学领域的一个挑战。” “60年后，我们证明了在激光中实现这两种品质是可能的。我认为这是我的团队迄今为止发表的最重要的论文。”

      尽管激光的发明带来了广泛的应用，从外科工具到条形码扫描仪再到精密蚀刻，但光学领域的研究人员仍面临着一个长期的限制。当激光腔的尺寸增大时，作为定义激光特征的相干单波长平行光将改变。标准的解决方法是使用外部机制，如波导，来放大光束。

      Kanté说：“使用另一种介质来放大激光会占用大量空间。”。“通过消除外部放大的需要，我们可以缩小计算机芯片和其他依赖激光的组件的尺寸并提高其效率。”

      这项研究的结果与垂直腔面发射激光器（VCSEL）尤其相关，在VCSEL中，激光垂直发射出芯片。这种激光器的应用范围很广，包括光纤通信、计算机鼠标、激光打印机和生物识别系统。

      VCSEL通常很小，只有几微米宽。目前用于增强其能力的策略是将数百个单独的VCSEL聚集在一起。因为激光器是独立的，它们的相位和波长不同，所以它们的功率不会相干地结合。

      “这在面部识别等应用中是可以容忍的，但在通信或手术等精度至关重要的应用中，这是不可接受的，”该研究的联合首席作者、EECS博士生Rushin Contractor说。

      Kanté将BerkSEL单模激光所带来的额外效率和功率与一群人让一辆停滞不前的公共汽车开动进行了比较。他说，多模激光类似于向不同方向推进的人。这不仅会降低效率，而且如果人们朝相反的方向推进，也可能适得其反。BerkSEL单模激光与人群中的每个人朝同一方向推公共汽车的情况相当。这远比现有激光器的效率高，因为现有激光器中只有一部分人推动公共汽车。

      研究发现，BerkSEL设计之所以能够实现单模光发射，是因为光通过膜孔的物理特性。膜孔是一层200纳米厚的磷化铟镓半导体，是一种常用于光纤和电信技术的半导体。使用光刻技术蚀刻的孔必须具有固定的大小、形状和间距。

      研究人员解释说，膜上的周期性孔洞变成了狄拉克点，这是基于能量线性色散的二维材料的拓扑特征。它们以英国物理学家、诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克的名字命名，狄拉克因其对量子力学和量子电动力学的早期贡献而闻名。

      研究人员指出，光从一个点传播到另一个点的相位等于折射率乘以传播距离。因为狄拉克点的折射率为零，所以从半导体不同部分发射的光完全同相，因此在光学上是相同的。

      “我们研究中的膜大约有3000个孔，但理论上，它可能有100万或10亿个孔，结果是一样的，”该研究的联合首席作者、EECS博士后Walid Redjem说。

      研究人员使用高能脉冲激光进行光学泵浦，并为BerkSEL装置提供能量。他们使用为近红外光谱优化的共焦显微镜测量每个光圈的发射。

      本研究中使用的半导体材料和结构尺寸是为了实现电信波长的激光。作者指出，BerkSELs可以通过调整设计（如孔尺寸和半导体材料）来发射不同的目标波长。

[1] Rushin Contractor, Wanwoo Noh, Walid Redjem, Wayesh Qarony, Emma Martin, Scott Dhuey, Adam Schwartzberg, Boubacar Kant�. Scalable single-mode surface emitting laser via open-Dirac singularities. Nature, 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-05021-4