近日，加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員開發(fā)出一種新型半導(dǎo)體激光器“BerkSEL”。難得的是，這種激光器實(shí)現(xiàn)了光學(xué)領(lǐng)域一個(gè)難以捉摸的目標(biāo)：在保持單模發(fā)射光的同時(shí)，保持放大尺寸和功率的能力。6月29日，該成果發(fā)表在《自然》雜志上。
伯克利表面發(fā)射激光器(BerkSEL)示意圖，藍(lán)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(xué)領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)。而這項(xiàng)工作表明，尺寸并不一定要以相干性為代價(jià)，這使得激光在許多應(yīng)用中能夠更強(qiáng)大穩(wěn)定，并且覆蓋更長的距離。
由加州大學(xué)伯克利分校電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)副教授Boubacar Kanté、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部門的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)展示了一種具有均勻間距和相同大小的孔穿孔的半導(dǎo)體膜，可以作為一個(gè)可伸縮的激光腔。結(jié)果表明，無論這種激光腔的大小如何，激光束都能發(fā)射出一致的單一波長。
在傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的解決方法是使用像波導(dǎo)這樣的外部機(jī)構(gòu)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(jì)算機(jī)芯片和其他依賴激光的組件的尺寸并提高效率。
這項(xiàng)工作與垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)技術(shù)尤其緊密相關(guān)。在VCSELS中，光從芯片頂面中垂直發(fā)射出來。VCSELs通常只有幾微米寬，目前用來增強(qiáng)它們功率的策略是將數(shù)百個(gè)獨(dú)立的VCSELs聚集在一起。因?yàn)榧す馐仟?dú)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(jié)合在一起——這在面部識別等應(yīng)用中還可以接受，但在通信或手術(shù)等對精度至關(guān)重要的應(yīng)用中卻完全行不通。
而UC Berkeley開發(fā)出來的“BerkSEL”激光器設(shè)計(jì)使更高效的單模光發(fā)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(fā)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(shù)的半導(dǎo)體)。研究人員指出，這些規(guī)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(dāng)?shù)依它c(diǎn)，這是二維材料基于能量線性色散的拓?fù)涮卣鳌?/span>
此外，由于光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)的相位等于折射率乘以傳播的距離。由于在狄拉克點(diǎn)折射率為零，從半導(dǎo)體的不同部分發(fā)出的光完全相位相同，因此在光學(xué)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(gè)孔，但理論上，它可能有100萬個(gè)或10億個(gè)孔，結(jié)果會是一樣的?！?/span>
目前，研究人員使用高能脈沖激光進(jìn)行光泵浦并為BerkSEL設(shè)備提供能量，并使用為近紅外光譜優(yōu)化的共聚焦顯微鏡測量了每個(gè)孔徑的發(fā)射。通過調(diào)整設(shè)計(jì)規(guī)格，如孔穴大小和半導(dǎo)體材料，“BerkSELs”半導(dǎo)體激光器可以發(fā)射出不同的目標(biāo)波長。
來源： 維科網(wǎng)激光