光子学领域涉及研究产生和利用光的新方法

光子学领域涉及研究产生和利用光的新方法,类似于日常生活中使用的许多设备依靠电流运行。尽管光子器件有潜力通过提高速度,效率和信息密度来改变当前的技术范式,但它们的广泛应用受到这些器件中光源(通常是激光器)的尺寸,强度和稳定性的限制。

光子学领域旨在通过以光而不是电的形式存储和传输信息来改变电子设备的所有方式。超越光速的原始方式,信息可以以其各种物理特性进行分层的方式使诸如光子计算机和通信系统之类的设备极具前景。

但是,在使这类设备从理论到现实之前,工程师必须找到使他们的光源(激光)更小,更坚固和更稳定的方法。使用LiDAR进行光学传感和测距的机器人和自动驾驶汽车,使用激光的制造和材料处理技术以及许多其他应用,也在不断推动光子学领域的发展,以提供更高功率和更高效的激光源。

现在,宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的一组研究人员已经从理论物理学的前沿概念中吸取了经验,以设计和构建紧密堆积的微激光的二维阵列,这些阵列具有单个微激光的稳定性,但可以共同发挥作用。实现更高的功率密度数量级。

他们现在在“科学”杂志上发表了证明其超对称微激光器阵列的研究。

该研究由材料科学与工程学系和电气与系统工程学系的副教授梁峰,以及他的实验室成员乔星度,Bikashkali Midya和高子和带领。他们与冯氏实验室的其他成员合作,包括张志峰,赵浩琪,吴天伟和严洁恩,以及材料科学与工程系教授Ritesh Agarwal。杜克大学电气与计算机工程教授Natalia M. Litchinitser也为这项研究做出了贡献。

为了保留由光子设备操纵的信息,其激光器必须格外稳定和相干。所谓的“单模”激光器消除了光束内的噪声变化并提高了其相干性,但结果却比包含多个同时模态的激光器更暗,功率也更低。

Feng说:“一种看似简单的方法来实现大功率单模激光器,是将多个相同的单模激光器耦合在一起以形成激光器阵列。从直觉上讲,该激光器阵列将具有增强的发射功率,但是由于与耦合系统相关的复杂性,它也将具有多个“超模式”。不幸的是,模式之间的竞争使激光器阵列的相干性降低。”

冯和他的同事们在实验中使用了环形微激光阵列。他们利用超对​​称理论的数学原理,开发了“超级伙伴”激光阵列,该阵列增强了红色标记的主阵列的稳定性。图片来源:宾夕法尼亚大学

耦合两个激光器会产生两个超模,但是随着将激光器排列在二维网格中,该数量以平方倍的方式增加,这些二维网格用于光子感测和LiDAR应用。

乔说:“单模操作至关重要,因为只有当所有激光器都被锁相成一个超模时,激光器阵列的辐射度和亮度才会随着激光器数量的增加而增加。”

他说:“受到物理学超对称性概念的启发,我们可以通过添加耗散的'超级伙伴'来在激光阵列中实现这种锁相单模激光。”

在粒子物理学中,超对称理论是两个主要类别的所有基本粒子,玻色子和费米子,在另一个类别中都尚未发现的“超级伙伴”。预测每个粒子的假设超级伙伴的性质的数学工具也可以应用于激光器的性质。

与基本粒子相比,制造单个微激光器的超级伙伴相对简单。复杂性在于调整超对称性的数学转换以产生一个完整的超级伙伴阵列,该阵列具有正确的能级以抵消除所需的原始单模之外的所有模式。

在Feng和他的同事进行工作之前,超级伙伴激光器阵列只能是一维的,每个激光器元件都排成一排。通过解决控制各个元素彼此耦合方向的数学关系,他们的新研究证明了一个具有五行五列微激光器的阵列。

高说:“当有损超对称伙伴阵列和原始激光器阵列耦合在一起时,除了基本模式之外的所有超模式都被消散,从而导致单模激光的功率是其的25倍,而功率是其的100倍以上。我们设想通过将我们的通用方案应用于更大的阵列(甚至在三个维度上),可以实现更加显着的功率缩放。其背后的工程原理是相同的。”

研究人员的研究还表明,他们的技术与他们先前对涡旋激光器的研究相兼容,涡旋激光器可以精确地控制轨道角动量,或激光束如何围绕其行进轴螺旋旋转。操纵光的这种特性的能力可以使光子系统以比以前想象的更高的密度进行编码。

“单模大功率激光被广泛用于各种重要应用中,包括光学通信,光学传感和激光雷达测距,”陆军作战能力发展部门陆军研究办公室项目经理詹姆斯·约瑟夫(James Joseph)说。指挥部的陆军研究实验室,为这项研究提供了支持。宾夕法尼亚大学的研究结果标志着朝着创建更高效​​,更现场的激光源迈出了重要一步。”

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