研究人員探索出了使激光器更高效、更靈活、更緊湊的方法。

連續表麵發射激光器中的束縛態。來源：University of California – Berkeley

激光的內(nei) 部工作原理屬於(yu) 物理領域，但它使日常生活成為(wei) 可能。當你的蘋果和橙子在收銀台接受激光掃描時，你可以通過手機或穀歌搜索新冠病毒數據。

激光以特定波長發出強烈的光。在一種波長下，激光束刻蝕計算機芯片上的圖案，從(cong) 而確定其電路。在電信波長，激光通過光纖發射出大量的數據，使我們(men) 進入了信息時代。

2017年，電氣工程師Boubacar Kante博士發明的一種新型激光器被《Physics World》評為(wei) 年度突破性發明之一。在Bakar研究員的支持下，Kante正準備製造一種新型激光的原型，並展示其在從(cong) 顯微外科手術到衛星遙測等一係列應用中的潛力。

在有限尺寸結構中集成電路的合並。在N = 15的有限尺寸域內(nei) ，計算出a = 573 nm處的Hz場分布。N為(wei) 垂直(或水平)方向上的氣孔數。b合並前(左)、合並前(中)、合並後(右)的FT拓撲電荷分布(Hz)。FT表示空間傅裏葉變換。白色的7°表示第一個(ge) 場的最小值。c b對應的三種情況下的輻射損失示意圖。d a = 568、573、576和578 nm時的計算輻射因子，定義(yi) 為(wei) |FT(Hz)/Q |。最大暗區在a = 573 nm的預合並處。e在N = 15(黑色)和N = 21(紫色)時，反輻射因子的值被繪製成晶格常數的函數。垂直的紅色虛線表示無限大小域的歸並點。f FDTD模擬計算的N = 15的輻射Q因子作為(wei) 晶格常數的函數。來源：DOI: 10.1038/s41467-021-24502-0

電氣工程和計算機科學副教授Boubacar描述了這種新型激光技術的新能力。以下為(wei) 跟Boubacar的對話。

Q：從(cong) 微觀到宏觀，激光有很多應用。他們(men) 在今天的經濟中扮演了多大的角色?

A：激光是一個(ge) 100億(yi) 到200億(yi) 美元的市場。我們(men) 現在說的是Zoom，因為(wei) 激光脈衝(chong) 以光速通過光纖來回傳(chuan) 輸。它們(men) 可以攜帶更多的數據，比其他任何通信方式都要快。

在白內(nei) 障手術中，激光束會(hui) 灼傷(shang) 少量組織。激光是推進無人機和自動駕駛汽車導航的關(guan) 鍵。

Q：你的發明會(hui) 給激光的功能增加什麽(me) ?

A：它們(men) 比普通激光小幾千倍——隻有人的頭發那麽(me) 寬，但卻能發射出大量的能量。所以，它們(men) 更緊湊，更輕。如果物體(ti) 越小，信息傳(chuan) 播的距離越短，傳(chuan) 播的速度就越快。所以，激光工作需要更少的能量。它們(men) 更節能。

Q：還有什麽(me) 其他特性使這種新型激光技術更有用?

A：通常，當東(dong) 西變得更緊湊時，它們(men) 會(hui) 失去一些功能。與(yu) 我們(men) 的激光相反。激光以精確的波長發射光——可以把它們(men) 想象成不同的顏色——由於(yu) 這種精確度，波長可以緊密地排列在一起。大多數激光器隻發射一種波長的光。但我們(men) 的發明允許激光“調諧”到不同的波長。這可以增加網絡的靈活性和容量。波長可調性也可用於(yu) 計量和傳(chuan) 感。

我們(men) 還可以控製激光束，即改變光線發射的角度。目前，當衛星或無人駕駛汽車或無人機需要將激光束定向到另一個(ge) 方向時，必須通過機械方式將激光束轉向。這自然地限製了速度，並使係統龐大。我們(men) 正在開發的激光器可以在不旋轉係統的情況下發射光，角度調諧可以通過電子方式完成。

所以，激光是輕的，超緊湊的，在波長和方向上都可調諧。與(yu) 目前的機械控製激光器相比，這種激光器不僅(jin) 節能，而且規模生產(chan) 的成本也更低。

Q：那麽(me) ，讓我們(men) 來看看引擎蓋下麵。這種新型激光器的多功能性是如何解釋的?

A：本質上，激光從(cong) 一個(ge) 盒子裏發出光，類似於(yu) 微波。半導體(ti) 最初產(chan) 生光。為(wei) 了增強光的強度——產(chan) 生激光束——光線在很長一段時間內(nei) 受到限製，並在盒子內(nei) 四處反射。盒子裏必須有光，不能讓它跑掉。

我們(men) 發明了一種不同的方法來控製光的強度。我們(men) 允許一個(ge) 精確波長的光通過至少兩(liang) 個(ge) 通道從(cong) 盒子裏出來。當逃逸波相互作用時，它們(men) 可以相互抵消。這叫做相消幹涉。漏出的光加起來等於(yu) 零。

然後所有的工作就好像盒子是關(guan) 閉的，我們(men) 做了一個(ge) 獨特的洞。這種波捕獲機製的多功能性允許激光是輕量化的，可調諧的波長和可操縱的。

Q：你現在需要采取哪些步驟，才能從(cong) 發明階段進入商業(ye) 儀(yi) 器階段?

A：將一項發現推進到製造階段的技術成本非常高。Bakar研究員的資助將允許我們(men) 在Berkeley的Marvell Nanofabrication製造實驗室製造一個(ge) 原型。它包括一個(ge) “潔淨室”，灰塵和氣溶膠顆粒等汙染物被過濾掉。Bakar的支持將支持最初昂貴的過程。我希望從(cong) 現在開始的兩(liang) 到三年內(nei) ，我們(men) 的發明的價(jia) 值會(hui) 引起商業(ye) 上的關(guan) 注。