对半导体激光器的形状进行简单的修改可以提高其光束的质量

图：混沌腔表面发射激光器阵列的示意图。这种新型激光阵列结合了混沌腔和表面发射配置的优势，实现了高质量的照明和高速通信。来源：KAUST; Omar Alkhazragi

      KAUST的科学家已经证明了一种简单的方法，可以改变紧凑型半导体激光器，使其更适用于照明和全息照相。这项研究发表在Optica上。

      半导体技术允许将激光器的所有元件封装到微米级器件中。这包括一个光学活性的光放大区域，每侧都有一个高反射镜。

      垂直腔表面发射激光器或VCSEL，是通过在衬底上精确地放置或生长交替的半导体层来制造高反射镜。然后在顶部生长活性材料，随后生长第二反射镜。然后可以从设备的顶部发射激光。

      VCSEL是有利的，因为可以在同一基板上同时创建和使用数百个VCSEL。但光束容易出现斑点状轮廓，这使得它不适合照明、全息术、投影和显示器等应用。这些都需要在垂直于光束传播方向的平面内均匀的光。

      斑点源于腔的高度有序性，这只允许发射少量的模式或光线轨迹。研究人员Omar Alkhazragi解释道：“VCSEL利用一个有序的腔，只允许在少数模式下以极高的效率进行光的共振。”。“这些模式下的光子相互干扰，导致斑点和低照明质量。”

      Alkhazragi和KAUST的同事，以及来自中国的同事，已经证明，通过改变器件的形状来打破腔的对称性，就可以减少VCSEL激光中的斑点。这在生成的光中引入了混沌行为，并允许发射更多的模式。

      Alkhazragi和团队研究了具有D形腔的VCSEL，并将其与具有标准圆柱形或O形几何形状的VCSEL进行了比较。他们观察到，D形器件表现出显著降低的相干性和相应的60%的光功率增加，这是可实现的最大值。

      研究人员将这种改善归因于腔内光线的混沌动力学。由于光是以相互不相干的模式发射的，因此散斑的可见性降低。

      Alkhazragi说：“机器学习可以帮助设计空腔，进一步最大化模式数量，降低相干，从而将斑点密度降低到低于人类感知的程度。”。

1. Omar Alkhazragi et al, Modifying the coherence of vertical-cavity surface-emitting lasers using chaotic cavities, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.475037