研究人員探索出了使激光器更高效、更靈活、更緊湊的方法。

連續(xù)表面發(fā)射激光器中的束縛態(tài)。來源：University of California – Berkeley

激光的內(nèi)部工作原理屬于物理領(lǐng)域，但它使日常生活成為可能。當(dāng)你的蘋果和橙子在收銀臺(tái)接受激光掃描時(shí)，你可以通過手機(jī)或谷歌搜索新冠病毒數(shù)據(jù)。

激光以特定波長(zhǎng)發(fā)出強(qiáng)烈的光。在一種波長(zhǎng)下，激光束刻蝕計(jì)算機(jī)芯片上的圖案，從而確定其電路。在電信波長(zhǎng)，激光通過光纖發(fā)射出大量的數(shù)據(jù)，使我們進(jìn)入了信息時(shí)代。

2017年，電氣工程師Boubacar Kante博士發(fā)明的一種新型激光器被《Physics World》評(píng)為年度突破性發(fā)明之一。在Bakar研究員的支持下，Kante正準(zhǔn)備制造一種新型激光的原型，并展示其在從顯微外科手術(shù)到衛(wèi)星遙測(cè)等一系列應(yīng)用中的潛力。

在有限尺寸結(jié)構(gòu)中集成電路的合并。在N = 15的有限尺寸域內(nèi)，計(jì)算出a = 573 nm處的Hz場(chǎng)分布。N為垂直(或水平)方向上的氣孔數(shù)。b合并前(左)、合并前(中)、合并后(右)的FT拓?fù)潆姾煞植?Hz)。FT表示空間傅里葉變換。白色的7°表示第一個(gè)場(chǎng)的最小值。c b對(duì)應(yīng)的三種情況下的輻射損失示意圖。d a = 568、573、576和578 nm時(shí)的計(jì)算輻射因子，定義為|FT(Hz)/Q |。最大暗區(qū)在a = 573 nm的預(yù)合并處。e在N = 15(黑色)和N = 21(紫色)時(shí)，反輻射因子的值被繪制成晶格常數(shù)的函數(shù)。垂直的紅色虛線表示無限大小域的歸并點(diǎn)。f FDTD模擬計(jì)算的N = 15的輻射Q因子作為晶格常數(shù)的函數(shù)。來源：DOI: 10.1038/s41467-021-24502-0

電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授Boubacar描述了這種新型激光技術(shù)的新能力。以下為跟Boubacar的對(duì)話。

Q：從微觀到宏觀，激光有很多應(yīng)用。他們?cè)诮裉斓慕?jīng)濟(jì)中扮演了多大的角色?

A：激光是一個(gè)100億到200億美元的市場(chǎng)。我們現(xiàn)在說的是Zoom，因?yàn)榧す饷}沖以光速通過光纖來回傳輸。它們可以攜帶更多的數(shù)據(jù)，比其他任何通信方式都要快。

在白內(nèi)障手術(shù)中，激光束會(huì)灼傷少量組織。激光是推進(jìn)無人機(jī)和自動(dòng)駕駛汽車導(dǎo)航的關(guān)鍵。

Q：你的發(fā)明會(huì)給激光的功能增加什么?

A：它們比普通激光小幾千倍——只有人的頭發(fā)那么寬，但卻能發(fā)射出大量的能量。所以，它們更緊湊，更輕。如果物體越小，信息傳播的距離越短，傳播的速度就越快。所以，激光工作需要更少的能量。它們更節(jié)能。

Q：還有什么其他特性使這種新型激光技術(shù)更有用?

A：通常，當(dāng)東西變得更緊湊時(shí)，它們會(huì)失去一些功能。與我們的激光相反。激光以精確的波長(zhǎng)發(fā)射光——可以把它們想象成不同的顏色——由于這種精確度，波長(zhǎng)可以緊密地排列在一起。大多數(shù)激光器只發(fā)射一種波長(zhǎng)的光。但我們的發(fā)明允許激光“調(diào)諧”到不同的波長(zhǎng)。這可以增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性和容量。波長(zhǎng)可調(diào)性也可用于計(jì)量和傳感。

我們還可以控制激光束，即改變光線發(fā)射的角度。目前，當(dāng)衛(wèi)星或無人駕駛汽車或無人機(jī)需要將激光束定向到另一個(gè)方向時(shí)，必須通過機(jī)械方式將激光束轉(zhuǎn)向。這自然地限制了速度，并使系統(tǒng)龐大。我們正在開發(fā)的激光器可以在不旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的情況下發(fā)射光，角度調(diào)諧可以通過電子方式完成。

所以，激光是輕的，超緊湊的，在波長(zhǎng)和方向上都可調(diào)諧。與目前的機(jī)械控制激光器相比，這種激光器不僅節(jié)能，而且規(guī)模生產(chǎn)的成本也更低。

Q：那么，讓我們來看看引擎蓋下面。這種新型激光器的多功能性是如何解釋的?

A：本質(zhì)上，激光從一個(gè)盒子里發(fā)出光，類似于微波。半導(dǎo)體最初產(chǎn)生光。為了增強(qiáng)光的強(qiáng)度——產(chǎn)生激光束——光線在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)受到限制，并在盒子內(nèi)四處反射。盒子里必須有光，不能讓它跑掉。

我們發(fā)明了一種不同的方法來控制光的強(qiáng)度。我們?cè)试S一個(gè)精確波長(zhǎng)的光通過至少兩個(gè)通道從盒子里出來。當(dāng)逃逸波相互作用時(shí)，它們可以相互抵消。這叫做相消干涉。漏出的光加起來等于零。

然后所有的工作就好像盒子是關(guān)閉的，我們做了一個(gè)獨(dú)特的洞。這種波捕獲機(jī)制的多功能性允許激光是輕量化的，可調(diào)諧的波長(zhǎng)和可操縱的。

Q：你現(xiàn)在需要采取哪些步驟，才能從發(fā)明階段進(jìn)入商業(yè)儀器階段?

A：將一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)推進(jìn)到制造階段的技術(shù)成本非常高。Bakar研究員的資助將允許我們?cè)贐erkeley的Marvell Nanofabrication制造實(shí)驗(yàn)室制造一個(gè)原型。它包括一個(gè)“潔凈室”，灰塵和氣溶膠顆粒等污染物被過濾掉。Bakar的支持將支持最初昂貴的過程。我希望從現(xiàn)在開始的兩到三年內(nèi)，我們的發(fā)明的價(jià)值會(huì)引起商業(yè)上的關(guān)注。