近日，加州大學伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員開發出一種新型半導體激光器“BerkSEL”。難得的是，這種激光器實現了光學領域一個難以捉摸的目標：在保持單模發射光的同時，保持放大尺寸和功率的能力。6月29日，該成果發表在《自然》雜志上。

伯克利表面發射激光器(BerkSEL)示意圖，藍色為泵浦光束，紅色為激光光束。圖片來源：UC Berkeley Engineering
 

自1960年第一臺激光器建成以來，同步增加單模激光器的尺寸和功率一直是光學領域的一個挑戰。而這項工作表明，尺寸并不一定要以相干性為代價，這使得激光在許多應用中能夠更強大穩定，并且覆蓋更長的距離。

 

由加州大學伯克利分校電子工程與計算機科學系(EECS)副教授Boubacar Kanté、勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部門的科學家領導的研究團隊展示了一種具有均勻間距和相同大小的孔穿孔的半導體膜，可以作為一個可伸縮的激光腔。結果表明，無論這種激光腔的大小如何，激光束都能發射出一致的單一波長。

 

在傳統的激光器中，隨著激光腔的增大，相干單波長定向光會開始分解。標準的解決方法是使用像波導這樣的外部機構來放大光束，然而這占用了很多空間。通過消除外部放大的需要，如今研究人員可以縮小計算機芯片和其他依賴激光的組件的尺寸并提高效率。

 

這項工作與垂直腔表面發射激光器（VCSEL）技術尤其緊密相關。在VCSELS中，光從芯片頂面中垂直發射出來。VCSELs通常只有幾微米寬，目前用來增強它們功率的策略是將數百個獨立的VCSELs聚集在一起。因為激光是獨立的，它們的相位和波長不同，所以它們的功率不會相干地結合在一起——這在面部識別等應用中還可以接受，但在通信或手術等對精度至關重要的應用中卻完全行不通。

 

而UC Berkeley開發出來的“BerkSEL”激光器設計使更高效的單模光發射成為可能，主要是基于光通過薄膜上孔穴的物理特性。他們開發出來的薄膜是一種200納米厚的砷化鎵磷化銦(一種常用于光纖和電信技術的半導體)。研究人員指出，這些規則性的孔穴是用光刻法蝕刻的，必須有固定的大小、形狀和距離——它們能夠充當狄拉克點，這是二維材料基于能量線性色散的拓撲特征。

 

此外，由于光從一點傳播到另一點的相位等于折射率乘以傳播的距離。由于在狄拉克點折射率為零，從半導體的不同部分發出的光完全相位相同，因此在光學上是相同的。該研究的共同主要作者、EECS博士后研究員瓦利德·雷德杰姆（Walid Redjem）表示：“我們研究中的薄膜大約有3000個孔，但理論上，它可能有100萬個或10億個孔，結果會是一樣的。”

 

目前，研究人員使用高能脈沖激光進行光泵浦并為BerkSEL設備提供能量，并使用為近紅外光譜優化的共聚焦顯微鏡測量了每個孔徑的發射。通過調整設計規格，如孔穴大小和半導體材料，“BerkSELs”半導體激光器可以發射出不同的目標波長。