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【激光】美研发首个新型激光器,将促进光通信、计算等领域的发展
金陵 2017-01-22
导语

美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员研制出了首个基于光连续束缚态(BICS)现象的激光器。该技术可促进表面发射激光器技术的发展,使它们以更紧凑更节能的方式服务于光通信和计算领域,该BIC激光器也可进一步发展为工业和国防所应用的高功率激光器。


 
图:BIC激光器示意图

美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员研制出了首个基于光连续束缚态(BICS)现象的激光器。该技术可促进表面发射激光器技术的发展,使它们以更紧凑更节能的方式服务于光通信和计算领域,该BIC激光器也可进一步发展为工业和国防所应用的高功率激光器。

激光器的广泛应用

该研究参与者,加州大学圣地亚哥分校电气工程系Ashok Kodigala博士表示:“从简单的日常激光指针到复杂的用来探测引力波的激光干涉仪,激光器在当今世界是无处不在的,我们目前的研究将影响激光在诸多领域的应用。”

BIC现象

光连续区束缚态(BIC)现象早在1929年就已被预测存在。BIC现象描述的是光波在束缚态或开放系统中持续存在的现象。传统的波形在开放的系统中会逃逸,但BIC现象违反了该规则,尽管其逃逸路径是开放的,它仍然不会逃逸。

加州大学圣地亚哥分校雅可布学院的Boubacar Kanté教授及其研究团队在之前的研究中发现,在微波频率,利用BIC机制可有效的捕获或存储光,使光与物质的相互作用增强。如今,他们利用连续的束缚态实现了新型激光器的研制。该成果发表于1月12日的《自然》杂志上。


 
图为研究团队合影,左二为Kanté教授 

BIC激光器的研制

BIC激光器由一个薄的铟、镓、砷、磷半导体膜制成,膜结构由悬浮在空中的圆柱状纳米阵列排列组成,这些圆柱体像网络一样相互连接,为设备提供机械稳定性。

通过用高功率激光光束泵浦半导体膜,BIC激光器实现了较低频率激光光束(电信频率)的发射。

Kanté教授表示:“该研究的成功说明,我们的确可以通过BIC现象实现激光发射,值得注意的是,我们能够得到8×8粒子大小的表面发射激光器阵列。“

卓越性能

Kanté教授表示:“由于该BIC激光器原理的非常规性,它能提供现有激光技术未能实现的前所未有的卓越性能。”

例如,BIC激光器能够很容易的实现发射不同波长光束的可调谐。对于医用激光器来说,该激光器一个很重要的功能就是实现精准的肿瘤细胞制导的同时不损伤正常组织。BIC激光器还能够发射多种特殊形状的光束(如螺旋、环装或钟形曲线)——称为矢量光束——能够使计算机和光通信系统携带比现有设备高10倍以上的信息量。

加州大学圣地亚哥分校电气工程系Babak Bahari博士表示:“无论是在手机、计算机和天文学中,光源都是光通信技术的关键部件。在我们的研究工作中,我们提出了一种新的光源,跟现有激光器相比,新的激光器在功耗和速度方面都有很大提升。”

对比VCSEL激光器

相比较而言,广泛应用于数据通信、高精度传感器的激光器是垂直腔面发射激光器(VCSEL),该激光器的尺寸大约为BIC激光器的100倍左右,因此需要更多的能量来实现激光器驱动。

Kanté教授补充道:“当前应用广泛的VCSEL激光器将来可能会被我们称之为光连续区束缚态表面发射激光器(BICSEL)所替代,原因是BICSEL激光器设备更小且功耗更低。”

高功率输出

该激光器还可以通过扩大阵列规模来实现高功率输出,最终服务于工业和国防领域。Kanté教授表示:“基于我们对BIC激光器效率的预测,激光领域一个全新时代即将到来。”

下一步工作

该研究团队的下一步工作计划是研发BIC激光器的电力泵浦系统,以取代目前的光泵浦系统,电泵浦激光器的优点在于便于携带到室外使用,而且可以通过电池供电。

文章链接:

Ashok Kodigala, et al, "Lasing action from photonic bound states in continuum," Nature 541, 196–199 (12 January 2017) doi:10.1038/nature20799 

(本文来源:大国重器—聚焦世界军用电子元器件;)

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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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