撰稿| 由课题组供稿
导读
单模高功率激光器一直是研究人员和相关产业追求的目标。一种功率增强方法是将多个相同的单模激光器耦合在一起以形成耦合激光器阵列。由于激光元件数量的增加，该激光器阵列将具有更强的发射功率。但是，由于耦合系统的性质，该激光器阵列将支持多种横向超模。当两个激光器耦合在一起时，它们会形成两种不同的横向超模。当激光器阵列很大时，比如用N2个相同的激光器形成一个N x N的阵列，那么这个阵列就会有N2个横向超模，且它们的能级间隔很近。这意味着尽管可以通过形成阵列的方式获得高功率激光器，但与此同时单模会变得非常难以实现。因此，在耦合激光器阵列中实现单模激光发射就显得尤为重要。单模运行对激光器的辐射率 (radiance) 至关重要，激光器阵列只有在耦合并单模运行时，才能达成阵列中所有激光器的相位锁定，以达到超越单个激光器的辐射率。
受物理学超对称（Supersymmetr (SUSY)）概念的启发，人们提出了一种通过添加耗散的超对称伙伴阵列（SUSY superpartner）来在激光器阵列中实现单模激光发射的方法。超对称伙伴阵列是通过对原先的激光器阵列应用超对称变换（SUSY transformation）产生的，生成的超对称伙伴阵列具有原先阵列除基模以外的所有能级。这种能级对应是超对称的特征之一。当耗散的超对称伙伴阵列和原先的激光器阵列耦合在一起时，除了基模之外的所有横向超模都将耗散，因此该超对称激光器阵列可以实现单模，高功率的激光发射。但是现有的超对称激光阵列的理论和实验仅限于一维（1D）耦合激光器阵列。
近日，来自宾夕法尼亚大学的冯亮课题组，首次提出了一种通用方法在高维度阵列中利用超对称变换来设计单模激光器阵列，并实验展示了二维微环激光器阵列的单基模运行，以及发射带有轨道角动量光束的二维激光器阵列。研究成果以 “Higher-dimensional supersymmetric microlaser arrays”为题目发表在Science (Vol. 372, Issue 6540, pp. 403-408) 上。
研究者提出，以二维激光器阵列为例，如果该阵列仅沿x方向和y方向耦合（即在其他方向，例如对角线方向没有耦合），则该N x N的激光器阵列的两个维度可以认为是彼此分离的，使得该哈密顿量可被分解为分别沿x轴和y轴的两个一维子系统。数学上，二维激光器阵列的哈密顿量可写为两个一维子系统哈密顿量的克罗内克和 （Kronecker sum）。通过在一维子系统上应用多次超对称变换，可以从原始的激光器阵列中获得除基模外，与其所有能级都匹配的超对称性伙伴阵列，从而实现所需的二维超对称激光器阵列。
在这种新方法的指导下，研究者设计并制造了基于微环激光器的二维超对称激光器阵列。他们可以在一个5 x 5的二维激光器阵列中实现单模，高功率的激光输出。实验结果显示，同单个激光器的输出相比，该二维超对称激光器阵列的输出功率增加了25倍，并且由于相位锁定造成光束散角的缩小，辐照能量密度的增加大于100倍。这是科研人员首次展示只发射单个基模的二维倏逝场耦合激光器阵列。
此外，研究者还展示了二维激光器阵列能够发射带有轨道角动量的光束。当超对称二维激光器阵列中的每个微环的内侧刻有光栅时，每个微环激光器本身将发射预先设计好的，具有相同轨道角动量的涡旋光束。在超对称伙伴阵列的影响下，原二维激光器阵列中除基模以外的其他模式都将耗散，因此当对该二维超对称激光器阵列施加合适的泵浦 （pumping）时，阵列中的每个微环将同相振荡并在远场产生相长干涉。因此，二维激光器阵列亦可以实现具有轨道角动量的高功率，高辐射率单模涡旋激光。
这项工作展示的单模，高功率的二维超对称耦合激光器阵列，以及轨道角动量的涡旋光束可以应用于LIDAR，光学三维传感，光通信等重要领域。
图1. 高维度超对称微环激光阵列
图2. 高维度超对称微环激光阵列的实验表征
图3. 高维度超对称激光阵列的远场表征
图4. 高辐射率结构光的产生
文章信息
该研究成果以 “Higher-dimensional supersymmetric microlaser arrays”为题目发表在Science (Vol. 372, Issue 6540, pp. 403-408) 。
本文共同第一作者为Xingdu Qiao (乔行都)，Bikashkali Midya，Zihe Gao (高子贺)，通讯作者为Prof. Liang Feng (冯亮)。其他合作者包括Zhifeng Zhang（张智峰）, Haoqi Zhao（赵浩淇）, Tianwei Wu（吴天玮）, Jieun Yim, Prof. Ritesh Agarwal，全部来自于University of Pennsylvania，以及来自Duke University的Prof. Natalia M. Litchinister.
文章链接
https://science.sciencemag.org/content/372/6540/403?rss=1
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