伯克利的工程师创造了一种新型半导体激光器，在光学领域实现了一个难以捉摸的目标：能够保持单一的发射光模式，同时保持放大尺寸和功率的能力。这是一项成就，意味着尺寸不必以牺牲相干性为代价，使激光器能够更强大，并且可以在许多应用中覆盖更长的距离。
由加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系（EECS）的Chunging Hu副教授，劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）材料科学部的教师科学家Boubacar Kanté领导的研究小组表明，用均匀间隔和相同尺寸的孔穿孔的半导体膜可以作为完美的可扩展激光腔。他们证明，无论腔体的大小如何，激光都会发出一致的单一波长。
研究人员在6月29日星期三发表在 《自然》 杂志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（BerkSELs）。
“自1960年制造第一台激光器以来，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，”Kanté说。“六十年后，我们证明在激光器中实现这两种品质是可能的。我认为这是我的小组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 - 从手术工具到条形码扫描仪再到精密蚀刻 - 但光学研究人员不得不应对一个持续的限制。相干的单波长定向光是激光器的一个决定性特征，随着激光腔尺寸的增加而开始分解。标准的解决方法是使用外部机制（如波导）来放大光束。
“使用另一种介质来放大激光会占用大量空间，”Kanté说。“通过消除对外部放大的需求，我们可以缩小尺寸并提高计算机芯片和其他依赖激光的组件的效率。
该研究的结果与垂直腔表面发射激光器或VCSEL特别相关，其中激光垂直发射出芯片。这种激光器应用广泛，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，测量几微米宽。目前用于提高其功率的策略是将数百个单独的VCSEL聚集在一起。由于激光器是独立的，它们的相位和波长不同，因此它们的功率不能相干地结合。
“对于面部识别等应用来说，这是可以容忍的，但是当精度至关重要时，例如在通信或手术中，这是不可接受的，”该研究的共同主要作者，EECS博士生Rushin Contractor说。
Kanté将BerkSEL的单模激光带来的额外效率和功率与一群人让停滞的公共汽车移动进行了比较。他说，多模式激光类似于人们向不同的方向推进。它不仅效果较差，而且如果人们朝着相反的方向推进，它也可能适得其反。BerkSEL中的单模激光可与人群中的每个人将公共汽车推向同一方向相媲美。这比现有激光器中的效率要高得多，在现有激光器中，只有一部分人群有助于推动公共汽车。
该研究发现，BerkSEL设计之所以能够实现单模光发射，是因为光穿过膜中孔的物理特性，这是一层200纳米厚的砷化铟镓磷化物，一种通常用于光纤和电信技术的半导体。使用光刻蚀刻的孔必须具有固定的尺寸，形状和距离。
研究人员解释说，膜中的周期性孔成为狄拉克点，这是基于能量线性分散的二维材料的拓扑特征。它们以英国物理学家和诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克（Paul Dirac）的名字命名，狄拉克以他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，从一个点传播到另一个点的光相位等于折射率乘以行进的距离。由于狄拉克点处的折射率为零，因此半导体不同部分发出的光是完全相位的，因此在光学上是相同的。
“我们研究中的膜有大约3000个孔，但从理论上讲，它可能是100万或1个百亿个孔，结果将是相同的，”该研究的共同主要作者，EECS博士后研究员Walid Redjem说。
研究人员使用高能脉冲激光器对BerkSEL设备进行光学泵浦并提供能量。他们使用针对近红外光谱优化的共聚焦显微镜测量了每个孔径的发射。
本研究选择的半导体材料和结构尺寸，使电信波长激光成为可能。作者指出，BerkSEL可以通过调整设计规范（例如孔径和半导体材料）来发射不同的目标波长。
其他研究作者是Wanwoo Noh，他是共同主要作者，于2022年5月获得EECS博士学位;来自伯克利实验室的Wayesh Qarony，Scott Dhuey和Adam Schwartzberg;和Emma Martin，EECS的博士生。
海军研究办公室为这项研究提供了主要支持。额外的资金来自美国国家科学基金会，伯克利实验室，摩尔发明家研究员计划和加州大学伯克利分校的巴卡尔奖学金。