伯克利的工程師們發明了一種新型半導體激光器，它在光學領域實現了一個難以捉摸的目標：既能保持發射光的單一模式，又能保持在尺寸和功率上的放大能力。這是一項成就，意味着尺寸不必以犧牲相干性為代價，從而使激光更強大，能夠覆蓋更長的距離，用於許多應用。
布巴卡爾·坎特（Boubacar Kanté）、加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學系（EECS）副教授胡晨明（Chenming Hu）和勞倫斯·伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）材料科學部的教員科學家領導的研究團隊，結果表明，具有均勻間距和相同尺寸孔的半導體膜可以作為一個完美的可伸縮激光腔。他們證明，無論腔的大小，激光都會發出一致的單一波長。
研究人員在6月29日星期三發表在《自然》雜誌上的一項研究中描述了他們的發明，稱為伯克利表面發射激光器（Berkeley Surface Emission Laser，BerkSELs）。
康德說：“自從1960年第一台激光器問世以來，增加單模激光器的尺寸和功率一直是光學領域的一個挑戰。”。“60年後，我們證明了在激光中實現這兩種品質是可能的。我認為這是我的團隊迄今為止發表的最重要的論文。”
儘管激光的發明帶來了廣泛的應用，從外科工具到條形碼掃描儀再到精密蝕刻，但光學研究人員一直面臨著一個長期的限制。當激光腔的尺寸增大時，作為激光定義特徵的相干單波長平行光開始分解。標準的解決方法是使用外部機制，如波導，來放大光束。
康德說：“使用另一種介質來放大激光會佔用大量空間。”。“通過消除外部放大的需要，我們可以縮小計算機芯片和其他依賴激光的組件的尺寸並提高其效率。”
顯示“狄拉克錐”的示意圖由於狄拉克點奇異性，光從整個半導體腔同步發射
這項研究的結果與垂直腔面發射激光器（VCSEL）尤其相關，在VCSEL中，激光垂直發射出芯片。這種激光器的應用範圍很廣，包括光纖通信、計算機鼠標、激光打印機和生物識別系統。
VCSEL通常很小，只有幾微米寬。目前用於增強其能力的策略是將數百個單獨的VCSEL聚集在一起。因為激光器是獨立的，它們的相位和波長不同，所以它們的功率不會相干地結合。
“這在面部識別等應用中是可以容忍的，但在通信或手術等精度至關重要的情況下，這是不可接受的，”該研究的聯合首席作者、EECS博士生Rushin Contractor說。
Kanté將BerkSEL的單模激光所帶來的額外效率和功率與一群人讓一輛停滯不前的公共汽車開動進行了比較。他說，多模激光類似於向不同方向推進的人。這不僅會降低效率，而且如果人們朝相反的方向推進，也可能適得其反。伯克塞爾的單模激光與人群中的每個人朝同一方向推公共汽車的情況相當。這遠比現有激光器的效率高，因為現有激光器中只有一部分人推動公共汽車。
研究發現，BerkSEL設計之所以能夠實現單模光發射，是因為光通過膜孔的物理特性。膜孔是一層200納米厚的磷化銦鎵半導體，是一種常用於光纖和電信技術的半導體。使用光刻技術蝕刻的孔必須具有固定的大小、形狀和間距。
研究人員解釋說，膜上的周期性孔洞變成了狄拉克點，這是基於能量線性色散的二維材料的拓撲特徵。它們以英國物理學家、諾貝爾獎獲得者保羅·狄拉克的名字命名，狄拉克因其對量子力學和量子電動力學的早期貢獻而聞名。
伯克利表面發射激光器（BerkSEL）掃描電子顯微照片俯視圖。六方晶格光子晶體（PhC）形成電磁腔
研究人員指出，光從一個點傳播到另一個點的相位等於折射率乘以傳播距離。因為狄拉克點的折射率為零，所以從半導體不同部分發射的光完全同相，因此在光學上是相同的。
“我們研究中的膜大約有3000個孔，但理論上，它可能有100萬或10億個孔，結果是一樣的，”該研究的聯合首席作者、EECS博士後Walid Redjem說。
研究人員使用高能脈衝激光進行光學泵浦，並為BerkSEL裝置提供能量。他們使用為近紅外光譜優化的共焦顯微鏡測量每個光圈的發射。
本研究中使用的半導體材料和結構尺寸是為了實現電信波長的激光。作者指出，BerkSELs可以通過調整設計規範（如孔尺寸和半導體材料）來發射不同的目標波長。
其他研究作者是Wanwoo Noh，聯合首席作者，於2022年5月獲得EECS博士學位；伯克利實驗室的Wayesh Qarony、ScottDhuey和AdamSchwartzberg；還有Emma Martin，EECS的博士生。
