研究人员探索出了使激光器更高效、更灵活、更紧凑的方法。

连续表面发射激光器中的束缚态。来源：University of California – Berkeley

激光的内部工作原理属于物理领域，但它使日常生活成为可能。当你的苹果和橙子在收银台接受激光扫描时，你可以通过手机或谷歌搜索新冠病毒数据。

激光以特定波长发出强烈的光。在一种波长下，激光束刻蚀计算机芯片上的图案，从而确定其电路。在电信波长，激光通过光纤发射出大量的数据，使我们进入了信息时代。

2017年，电气工程师Boubacar Kante博士发明的一种新型激光器被《Physics World》评为年度突破性发明之一。在Bakar研究员的支持下，Kante正准备制造一种新型激光的原型，并展示其在从显微外科手术到卫星遥测等一系列应用中的潜力。

在有限尺寸结构中集成电路的合并。在N = 15的有限尺寸域内，计算出a = 573 nm处的Hz场分布。N为垂直(或水平)方向上的气孔数。b合并前(左)、合并前(中)、合并后(右)的FT拓扑电荷分布(Hz)。FT表示空间傅里叶变换。白色的7°表示第一个场的最小值。c b对应的三种情况下的辐射损失示意图。d a = 568、573、576和578 nm时的计算辐射因子，定义为|FT(Hz)/Q |。最大暗区在a = 573 nm的预合并处。e在N = 15(黑色)和N = 21(紫色)时，反辐射因子的值被绘制成晶格常数的函数。垂直的红色虚线表示无限大小域的归并点。f FDTD模拟计算的N = 15的辐射Q因子作为晶格常数的函数。来源：DOI: 10.1038/s41467-021-24502-0

电气工程和计算机科学副教授Boubacar描述了这种新型激光技术的新能力。以下为跟Boubacar的对话。

Q：从微观到宏观，激光有很多应用。他们在今天的经济中扮演了多大的角色?

A：激光是一个100亿到200亿美元的市场。我们现在说的是Zoom，因为激光脉冲以光速通过光纤来回传输。它们可以携带更多的数据，比其他任何通信方式都要快。

在白内障手术中，激光束会灼伤少量组织。激光是推进无人机和自动驾驶汽车导航的关键。

Q：你的发明会给激光的功能增加什么?

A：它们比普通激光小几千倍——只有人的头发那么宽，但却能发射出大量的能量。所以，它们更紧凑，更轻。如果物体越小，信息传播的距离越短，传播的速度就越快。所以，激光工作需要更少的能量。它们更节能。

Q：还有什么其他特性使这种新型激光技术更有用?

A：通常，当东西变得更紧凑时，它们会失去一些功能。与我们的激光相反。激光以精确的波长发射光——可以把它们想象成不同的颜色——由于这种精确度，波长可以紧密地排列在一起。大多数激光器只发射一种波长的光。但我们的发明允许激光“调谐”到不同的波长。这可以增加网络的灵活性和容量。波长可调性也可用于计量和传感。

我们还可以控制激光束，即改变光线发射的角度。目前，当卫星或无人驾驶汽车或无人机需要将激光束定向到另一个方向时，必须通过机械方式将激光束转向。这自然地限制了速度，并使系统庞大。我们正在开发的激光器可以在不旋转系统的情况下发射光，角度调谐可以通过电子方式完成。

所以，激光是轻的，超紧凑的，在波长和方向上都可调谐。与目前的机械控制激光器相比，这种激光器不仅节能，而且规模生产的成本也更低。

Q：那么，让我们来看看引擎盖下面。这种新型激光器的多功能性是如何解释的?

A：本质上，激光从一个盒子里发出光，类似于微波。半导体最初产生光。为了增强光的强度——产生激光束——光线在很长一段时间内受到限制，并在盒子内四处反射。盒子里必须有光，不能让它跑掉。

我们发明了一种不同的方法来控制光的强度。我们允许一个精确波长的光通过至少两个通道从盒子里出来。当逃逸波相互作用时，它们可以相互抵消。这叫做相消干涉。漏出的光加起来等于零。

然后所有的工作就好像盒子是关闭的，我们做了一个独特的洞。这种波捕获机制的多功能性允许激光是轻量化的，可调谐的波长和可操纵的。

Q：你现在需要采取哪些步骤，才能从发明阶段进入商业仪器阶段?

A：将一项发现推进到制造阶段的技术成本非常高。Bakar研究员的资助将允许我们在Berkeley的Marvell Nanofabrication制造实验室制造一个原型。它包括一个“洁净室”，灰尘和气溶胶颗粒等污染物被过滤掉。Bakar的支持将支持最初昂贵的过程。我希望从现在开始的两到三年内，我们的发明的价值会引起商业上的关注。