隨著集成光子學(xué)中組件數(shù)量的增加，復(fù)雜度的非線性縮放是阻礙大規(guī)模鎖相激光器陣列的主要障礙，為了突破這一障礙，賓夕法尼亞大學(xué)和杜克大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)并制造了一種超對稱微激光器二維陣列，該二維陣列可實(shí)現(xiàn)單個微激光的穩(wěn)定性，還可以多個微激光共同工作實(shí)現(xiàn)幾個數(shù)量級功率密度的提高。該項(xiàng)目由美國陸軍資助，可以使激光實(shí)現(xiàn)高功率、高穩(wěn)定性和高相干性的結(jié)合，未來可以將其應(yīng)用于激光雷達(dá)、光學(xué)傳感和激光加工技術(shù)中。

高維度超對稱微環(huán)激光陣列

一種實(shí)現(xiàn)高功率單模激光器的方法是耦合多個相同的單模激光器以形成激光器陣列，但由于耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性，將會引入多種超模式（Supermodes），這些超模式之間會相互干擾，從而導(dǎo)致激光器陣列的相干性降低。只有將所有激光都鎖相成單個超模時，激光陣列的輻射度和亮度才會隨著數(shù)量的增加而增加。

為了達(dá)到這一目的，研究人員基于物理學(xué)中的超對稱理論（超對稱是費(fèi)米子和玻色子之間的一種對稱性，該對稱性尚未在自然界中被觀測到）提出了一種新型方法——“相消超對稱伙伴（Dissipative Superpartner）”。超對稱伙伴陣列是通過對原先的激光器陣列應(yīng)用超對稱變換（SUSY transformation）產(chǎn)生的，生成的超對稱伙伴陣列具有原先陣列除基模以外的所有能級。當(dāng)耗散的超對稱伙伴陣列和原先的激光器陣列耦合在一起時，除了基模之外的所有橫向超模都將耗散，因此該超對稱激光器陣列可以實(shí)現(xiàn)單模、高功率的激光發(fā)射。但是現(xiàn)有的超對稱激光陣列的理論和實(shí)驗(yàn)僅限于一維（1D）耦合激光器陣列。

為此，研究人員通過在一維子系統(tǒng)上應(yīng)用多次超對稱變換，解決了控制陣列中各個元素連續(xù)排列方向的數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了5×5的二維超對稱激光器陣列。賓夕法尼亞大學(xué)的博士后研究員Zihe Gao表示：“當(dāng)相消超對稱伙伴陣列和原始激光器陣列耦合在一起時，除了基本模式之外的所有超模式都將被消散，從而導(dǎo)致單模激光的功率達(dá)到原始陣列的25倍，功率密度則達(dá)到原始陣列的100倍以上。”

此外，研究人員還表示這種二維激光器陣列能夠發(fā)射帶有軌道角動量的光束，進(jìn)而展示了可以構(gòu)造高輻射度渦旋激光束的可行性。這也足以表明這種方法可以通過利用光的空間自由度來增強(qiáng)激光器的性能，為設(shè)計(jì)經(jīng)典和量子體系中的大規(guī)模集成光子系統(tǒng)提供了一條新途徑。