二维数组的图形
由陆军资助的研究人员设计并建造了紧密排列的微激光器二维阵列,具有单个微激光器的稳定性,但可以实现更高数量级的功率密度,为陆军改进激光器、高速计算和光通信铺平了道路。(宾夕法尼亚大学提供)

通过光的形式而不是电的形式来存储和传输信息,光子学有潜力改变所有形式的电子设备。利用光的速度和信息在其各种物理属性中分层的方式可以提高通信速度,同时减少能源浪费;然而,研究人员说,像激光这样的光源需要更小、更强、更稳定才能实现这一目标。

“单模,高功率激光用于广泛的应用程序重要的军队和帮助支持作战人员包括光通信、光传感和激光雷达测距,”詹姆斯·约瑟夫博士说,项目经理,美国陆军作战能力发展命令,称为DEVCOM,陆军研究实验室。“宾夕法尼亚大学的研究结果标志着在创造更高效和可部署的激光源方面迈出了重要的一步。”

利用这种技术进行信息分层的方式也可能对光子计算机和通信系统产生重要影响。为了保存由光子器件操纵的信息,其激光器必须非常稳定和相干。所谓的单模激光器消除了其光束内的噪声变化,提高了其相干性,但结果是,与包含多个同时模式的激光器相比,其亮度更低,功率更小。

来自宾夕法尼亚大学和杜克大学的研究人员,在陆军的资助下,设计并建造了紧密排列的微激光器的二维阵列,这种微激光器具有单一微激光器的稳定性,但总体上可以达到更高的功率密度数量级。他们在同行评议的《科学》杂志上发表了一项研究,展示了超对称微激光阵列。机器人和自动驾驶汽车使用激光雷达进行光学传感和测距,制造和材料加工技术使用激光,是这一研究的许多其他潜在应用。

“实现高功率单模激光器的一个看似简单的方法是将多个相同的单模激光器耦合在一起,形成一个激光阵列,”宾夕法尼亚大学材料科学与工程学院和电气与系统工程学院副教授梁峰博士说。“直觉上,这种激光阵列将有一个增强的发射功率,但由于耦合系统的复杂性,它也将有多个超级模式。不幸的是,模式之间的竞争使得激光阵列的相干性降低。”

耦合两个激光器产生两个超级模式,但随着激光器排列在二维网格中,用于光子传感和激光雷达应用,这个数量会二次增加。

“单模操作是至关重要的,因为只有当所有激光器都锁相为单一超模时,激光阵列的亮度和亮度才会随着激光器数量的增加而增加,”宾夕法尼亚大学的博士生Qiao Xingdu说。“受物理学超对称概念的启发,我们可以通过添加耗散的超级搭档在激光阵列中实现这种锁相单模激光。”

在粒子物理学中,超对称理论认为玻色子和费米子这两大类基本粒子在另一类中都有一个尚未发现的超级伴子。预测每个粒子假想的超级搭档属性的数学工具也可以应用于激光的属性。与基本粒子相比,制造单个微激光器的超级搭档相对简单。其复杂性在于采用超对称的数学转换来产生一个完整的超级搭档阵列,该阵列具有正确的能级,可以抵消除所需的原始单模外的所有能量。

在这项研究之前,超级搭档激光阵列只能是一维的,每个激光元件排成一行。通过解决控制单个元素相互耦合方向的数学关系,这项新研究展示了一组五行五列的微激光器阵列。