研究人员设计出二维阵列紧密堆积的微型激光

盖世汽车讯 新光子学研究为陆军改进激光、高速计算和光通信铺平了道路。光子学有望可以以光而非电的形式存储和传输信息，从而改变电子设备的运行。研究人员称，信息可以根据不同的物理属性进行分层，再利用光速，可以提高通信速度，同时减少能源浪费。但为实现这一目标，激光等光源需要更小、更强且更稳定。

美国陆军作战能力发展司令部（U.S. Army Combat Capabilities Development Command）陆军研究实验室（ARO）项目经理James Joseph博士表示：“单模高功率激光被广泛应用于陆军重要应用中，为军人提供各种支持，如光学通信、光学传感和激光雷达测距。宾夕法尼亚大学（UPenn）的研究结果标志着向打造更加高效、现场的激光光源迈出了重要的一步。”

利用该技术分层信息的方式可能对光子计算机和通信系统产生重要影响。为了保留由光子设备控制的信息，其激光器必须十分稳定且耦合。单模激光器不仅减少光束内的噪声变化，且改善了其相干性，但结果却比含有多个同时模态的激光器亮度更暗，功率更低。

据外媒报道，宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）和杜克大学（Duke University）的研究人员在陆军的资助下，设计并制造了二维阵列的紧密堆积的微型激光，不仅具有单个微型激光的稳定性，还可以共同实现更高的功率密度数量级，从而为陆军改进激光、高速计算和光学通信铺平了道路。

（图片来源：宾夕法尼亚大学）

机器人和自动驾驶汽车是此项研究的潜在应用。机器人和自动驾驶汽车中会使用LiDAR进行光学传感和测距，以及使用激光进行制造和材料处理。此项研究的潜在应用包括采用激光雷达技术进行光学传感和测距，以及制造和材料处理。

材料科学与工程学系副教授Liang Feng博士表示：“制造高功率单模激光器的直接方法是将多个相同的单模激光器耦合在一起以形成激光器阵列，从而具有增强的发射功率。但由于耦合系统十分复杂，所以系统将具有多种超模式。而模式间的竞争会使激光器阵列的相干性降低。”

耦合两个激光器会产生两个超模式，但是随着将激光器排列在用于光子感测和LiDAR应用的二维网格中，该数量以平方倍增加。宾夕法尼亚大学的博士生Xingdu Qiao表示：“单模操作非常重要，因为只有将全部激光器锁相成一个超级模式时，激光器阵列的辐射度和亮度才会随着激光器数量的增加而增加。受物理学中超对称性概念的启发，我们可以通过添加耗散的超级伙伴（super-partner）在激光器阵列中实现这种锁相单模激光。”

在粒子物理学中，超对称性是指两个主要类别玻色子和费米子的所有基本粒子，在另一类别中都具有尚未发现的超级伙伴。用于预测每个粒子的假设超级伙伴性质的数学工具也可以用于预测激光器性质。

与基本粒子相比，制造单个微激光器的超级伙伴相对简单。其复杂性在于适应超对称性的数学变换，从而产生一个完整的具有正确能级的超级伙伴阵列，可以抵消所需的原始单模之外的所有模式。

在进行这项研究之前，超级伙伴激光器阵列只能是一维的，每个激光器元件排成一行。解决支配各个元素彼此耦合方向的数学关系后，这项新研究展示出一种具有五行五列微型激光的阵列。

参与此项目的博士后Zihe Gao表示：“当有损超对称伙伴阵列和原始激光器阵列耦合在一起时，除基本模式以外的所有超模式都将被耗散，因此，单模激光的功率和功率密度分别是原始阵列的25倍和100倍。我们设想通过将通用方案应用于更大的阵列（甚至在三个维度上），从而实现更显着的功率缩放。其背后的工程原理相同。”

研究还表明，该技术与该团队先前对涡旋激光器的研究相兼容。其中涡旋激光器可以精确地控制轨道角动量，或激光束如何围绕其行进轴螺旋旋转。控制光特性可以使光子系统以更高的密度进行编码。Feng称：“将超对称性引入二维激光阵列，可构成潜在的大规模集成光子系统的强大工具箱。”