提起激光，大家恐怕都不陌生。從(cong) 1960年美國科學家梅曼發明出世界上第一台激光器以來，激光已經走進了我們(men) 的日常生活，廣泛應用於(yu) 通信、醫學成像與(yu) 手術、傳(chuan) 感和精密測量等領域，悄然改變著世界的模樣。

那麽(me) ，激光器到底可以做到多小呢？

這個(ge) 問題聽起來簡單，其實背後涉及到一個(ge) 核心挑戰：我們(men) 該如何“壓縮”光子？

這不僅(jin) 是科學家追求的目標，也關(guan) 係到未來能否研製出更小、更快、更強大的光子芯片和信息處理係統。

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

極限“壓縮”光子的挑戰：

衍射極限

在信息技術的世界裏，晶體(ti) 管和激光器是兩(liang) 大核心元件。晶體(ti) 管的微型化推動了電子芯片的飛速發展，並催生了廣為(wei) 人知的摩爾定律，即每隔約18個(ge) 月，集成電路上可容納的晶體(ti) 管數量將翻一番。這一趨勢使得最先進的晶體(ti) 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(yi) 個(ge) 晶體(ti) 管，這賦予信息設備強大的信息處理能力。

與(yu) 晶體(ti) 管相比，縮小激光器的難度要大得多，這主要源於(yu) 兩(liang) 者所依賴的微觀粒子截然不同：晶體(ti) 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(ti) 管中電子的德布羅意波長高出3個(ge) 數量級。受衍射極限的製約，這些光子能夠被壓縮到的最小模式體(ti) 積，比晶體(ti) 管中的電子大約九個(ge) 數量級——10億(yi) 倍。

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

克服這一挑戰不僅(jin) 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(men) 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(wei) 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(yu) 毛文誌（左）在實驗室。圖源：北京大學新聞網

構建新理論框架：

將激光器研製推進至原子級別

為(wei) 了突破光學衍射極限，實現對光子體(ti) 積的極限“壓縮”，團隊提出了“奇點色散方程”，建立了介電體(ti) 係中突破衍射極限的理論框架，並發明了一種製備特征尺寸小至1nm的光學納腔的新方法。

在此基礎上，團隊研製出目前已知模式體(ti) 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(wei) 物質科學和生命科學等前沿領域提供了全新的相幹光源。與(yu) 傳(chuan) 統激光器相比，納米激光器具有能耗低、調製速度快等優(you) 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、成像和通信等方麵具有重要戰略價(jia) 值。然而，長期以來將相控陣拓展至光頻段一直麵臨(lin) 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幹控製機製。

為(wei) 解決(jue) 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幹輸出與(yu) 精確調控。無需外部鎖相，該係統可自發實現陣列內(nei) 相位同步，按需輸出“P”“K”“U”和“中”“國”等任意圖形的相幹激射圖案。通過進一步調控各區域激光器的相對相位，還能精準控製整體(ti) 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(guan) 鍵瓶頸，在微納光源陣列、片上通信係統和智能感知等領域展現出廣闊的發展前景。