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科學進展解讀:實現原子級特征尺度 與可重構光頻相控陣的納米激光器

馬仁敏 北京大學教授 來源:科普時報2025-05-30 我要評論(0 )   

提起激光,大家恐怕都不陌生。從1960年美國科學家梅曼發明出世界上第一臺激光器以來,激光已經走進了我們的日常生活,廣泛應用于通信、醫學成像與手術、傳感和精密測量...

提起激光,大家恐怕都不陌生。從1960年美國科學家梅曼發明出世界上第一臺激光器以來,激光已經走進了我們的日常生活,廣泛應用于通信、醫學成像與手術、傳感和精密測量等領域,悄然改變著世界的模樣。

 

那么,激光器到底可以做到多小呢?

 

這個問題聽起來簡單,其實背后涉及到一個核心挑戰:我們該如何“壓縮”光子?

 

這不僅是科學家追求的目標,也關系到未來能否研制出更小、更快、更強大的光子芯片和信息處理系統。

 

 

基于納米激光器陣列構建的有源光頻相控陣,可實現激光器的相干“同步起舞”,按需輸出 “中”“國”等任意圖形的相干激射圖案。作者供圖

 

 

極限“壓縮”光子的挑戰:

衍射極限

 

在信息技術的世界里,晶體管和激光器是兩大核心元件。晶體管的微型化推動了電子芯片的飛速發展,并催生了廣為人知的摩爾定律,即每隔約18個月,集成電路上可容納的晶體管數量將翻一番。這一趨勢使得最先進的晶體管的特征尺寸已達到納米級別,如在手機和電腦芯片中能夠集成超過百億個晶體管,這賦予信息設備強大的信息處理能力。

 

與晶體管相比,縮小激光器的難度要大得多,這主要源于兩者所依賴的微觀粒子截然不同:晶體管依賴電子,而激光器依賴光子。在可見光和近紅外波段,光子的波長比晶體管中電子的德布羅意波長高出3個數量級。受衍射極限的制約,這些光子能夠被壓縮到的最小模式體積,比晶體管中的電子大約九個數量級——10億倍。

 

構建納米尺度激光器的核心挑戰在于如何突破衍射極限,將光子的體積實現極限“壓縮”。

 

克服這一挑戰不僅能夠顯著推動光子技術的發展,還將催生許多全新的應用場景。設想一下,當光子能夠像電子一樣在納米尺度上被靈活操控時,我們將能夠用光直接觀察到DNA的精細結構,大規模光電集成芯片的實現也將成為可能,進而將帶來信息處理速度和效率的飛躍性提升。

 

 

論文作者馬仁敏(右)與毛文志(左)在實驗室。圖源:北京大學新聞網

 

 

構建新理論框架:

將激光器研制推進至原子級別

 

為了突破光學衍射極限,實現對光子體積的極限“壓縮”,團隊提出了“奇點色散方程”,建立了介電體系中突破衍射極限的理論框架,并發明了一種制備特征尺寸小至1nm的光學納腔的新方法。

 

在此基礎上,團隊研制出目前已知模式體積最小的奇點介電納米激光器,首次將激光器的特征尺度推進至原子級別。

 

 

奇點介電納米激光器示意圖(a),激光器電場強度分布圖(b)。圖源:北京大學新聞網

 

這項研究為物質科學和生命科學等前沿領域提供了全新的相干光源。與傳統激光器相比,納米激光器具有能耗低、調制速度快等優勢,未來有望在信息技術等領域得到廣泛應用。

 

讓納米激光器“同步起舞”:

實現有源光頻相控陣

 

相控陣技術因其具備快速、無機械結構的波束掃描能力,在探測、成像和通信等方面具有重要戰略價值。然而,長期以來將相控陣拓展至光頻段一直面臨重大挑戰,主要難點包括短波長帶來的集成難度以及缺乏高效的相干控制機制。

 

為解決這一難題,團隊進一步利用納米激光器構建出有源光頻相控陣,實現了激光陣列的相干輸出與精確調控。無需外部鎖相,該系統可自發實現陣列內相位同步,按需輸出“P”“K”“U”和“中”“國”等任意圖形的相干激射圖案。通過進一步調控各區域激光器的相對相位,還能精準控制整體發射方向,實現光頻段的動態波束掃描。

 

 

圖源:北京大學新聞網

 

這一有源光頻相控陣技術有望突破當前光子器件集成的關鍵瓶頸,在微納光源陣列、片上通信系統和智能感知等領域展現出廣闊的發展前景。


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