提起激光，大家恐怕都不陌生。從1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明出世界上第一臺(tái)激光器以來(lái)，激光已經(jīng)走進(jìn)了我們的日常生活，廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)學(xué)成像與手術(shù)、傳感和精密測(cè)量等領(lǐng)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(gè)問(wèn)題聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，其實(shí)背后涉及到一個(gè)核心挑戰(zhàn)：我們?cè)撊绾巍皦嚎s”光子？

這不僅是科學(xué)家追求的目標(biāo)，也關(guān)系到未來(lái)能否研制出更小、更快、更強(qiáng)大的光子芯片和信息處理系統(tǒng)。

基于納米激光器陣列構(gòu)建的有源光頻相控陣，可實(shí)現(xiàn)激光器的相干“同步起舞”，按需輸出 “中”“國(guó)”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(zhàn)：

衍射極限

在信息技術(shù)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(dòng)了電子芯片的飛速發(fā)展，并催生了廣為人知的摩爾定律，即每隔約18個(gè)月，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量將翻一番。這一趨勢(shì)使得最先進(jìn)的晶體管的特征尺寸已達(dá)到納米級(jí)別，如在手機(jī)和電腦芯片中能夠集成超過(guò)百億個(gè)晶體管，這賦予信息設(shè)備強(qiáng)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(jiàn)光和近紅外波段，光子的波長(zhǎng)比晶體管中電子的德布羅意波長(zhǎng)高出3個(gè)數(shù)量級(jí)。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(gè)數(shù)量級(jí)——10億倍。

構(gòu)建納米尺度激光器的核心挑戰(zhàn)在于如何突破衍射極限，將光子的體積實(shí)現(xiàn)極限“壓縮”。

克服這一挑戰(zhàn)不僅能夠顯著推動(dòng)光子技術(shù)的發(fā)展，還將催生許多全新的應(yīng)用場(chǎng)景。設(shè)想一下，當(dāng)光子能夠像電子一樣在納米尺度上被靈活操控時(shí)，我們將能夠用光直接觀察到DNA的精細(xì)結(jié)構(gòu)，大規(guī)模光電集成芯片的實(shí)現(xiàn)也將成為可能，進(jìn)而將帶來(lái)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(shí)驗(yàn)室。圖源：北京大學(xué)新聞網(wǎng)

構(gòu)建新理論框架：

將激光器研制推進(jìn)至原子級(jí)別

為了突破光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子體積的極限“壓縮”，團(tuán)隊(duì)提出了“奇點(diǎn)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(fā)明了一種制備特征尺寸小至1nm的光學(xué)納腔的新方法。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研制出目前已知模式體積最小的奇點(diǎn)介電納米激光器，首次將激光器的特征尺度推進(jìn)至原子級(jí)別。

奇點(diǎn)介電納米激光器示意圖（a），激光器電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖（b）。圖源：北京大學(xué)新聞網(wǎng)

這項(xiàng)研究為物質(zhì)科學(xué)和生命科學(xué)等前沿領(lǐng)域提供了全新的相干光源。與傳統(tǒng)激光器相比，納米激光器具有能耗低、調(diào)制速度快等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望在信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

讓納米激光器“同步起舞”：

實(shí)現(xiàn)有源光頻相控陣

相控陣技術(shù)因其具備快速、無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)的波束掃描能力，在探測(cè)、成像和通信等方面具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。然而，長(zhǎng)期以來(lái)將相控陣拓展至光頻段一直面臨重大挑戰(zhàn)，主要難點(diǎn)包括短波長(zhǎng)帶來(lái)的集成難度以及缺乏高效的相干控制機(jī)制。

為解決這一難題，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用納米激光器構(gòu)建出有源光頻相控陣，實(shí)現(xiàn)了激光陣列的相干輸出與精確調(diào)控。無(wú)需外部鎖相，該系統(tǒng)可自發(fā)實(shí)現(xiàn)陣列內(nèi)相位同步，按需輸出“P”“K”“U”和“中”“國(guó)”等任意圖形的相干激射圖案。通過(guò)進(jìn)一步調(diào)控各區(qū)域激光器的相對(duì)相位，還能精準(zhǔn)控制整體發(fā)射方向，實(shí)現(xiàn)光頻段的動(dòng)態(tài)波束掃描。

圖源：北京大學(xué)新聞網(wǎng)

這一有源光頻相控陣技術(shù)有望突破當(dāng)前光子器件集成的關(guān)鍵瓶頸，在微納光源陣列、片上通信系統(tǒng)和智能感知等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。