南洋理工大学科学家开发出新型节能超紧凑激光器

新加坡，2025 年 8 月 25 日 — 超小型激光器在各行各业有着广泛的应用，尤其是在小型设备中。它们对于光学计算、数据中心、高速通信、医学成像和先进传感器等下一代技术也至关重要。

然而，这些微型激光器的性能受到光损失的影响。

部分损失是由于激光腔的侧漏造成的——激光腔是激光器的主要组件，它限制和放大光以产生激光束。

光也会因辐射和光子晶体的缺陷而散射，光子晶体由半导体材料构成，用于控制光的传播。

这些导致损失的效应在超小型激光器中比在大型激光器中更为明显。在某些情况下，光损失非常严重，以至于微型激光器无法发出足以满足实际用途的光。

洋理工大学、新加坡电气与电子工程学院（EEE）和物理与数学科学学院的王启杰教授（左）和新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的崔杰远博士。图片由新加坡南洋理工大学提供。

由新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）领导的国际科学家团队开发出一种新型超小型激光器。这种微米级激光器比一粒沙子还要小，采用了一种特殊的设计，可以减少漏光，从而降低运行所需的能量。

该激光器发射太赫兹波段（30微米至3毫米）的光，这是6G通信频率，可能为未来的高速无线通信铺平道路。

为了防止光损失，NTU激光器利用了平带和一种称为连续介质中的多束缚态（BIC）的现象。

平带是光子晶体中的能带，其中光波的群速度接近于零——群速度是衡量光携带能量移动速度的指标。在接近于零的群速度下，光波携带的能量不会传播出激光腔。

同样，多BIC将光限制在激光腔内，防止其向各个方向逸出，同时仍允许激光器发射足够的光用于实际应用。与降噪耳机一样，光线中特定的波形会抵消通常会漏出的部分。腔体的设计也使光线难以逸出。

为了减少因泄漏、散射和辐射造成的光损失，研究人员设计了一个结合平带和多BIC概念的激光腔。

他们在由夹在两层金层之间的半导体材料组成的光子晶体中创建了周期性排列的雏菊形孔。

据研究人员称，这可能是抑制三维激光腔光泄漏的“终极”解决方案。

该激光器还能产生高度聚焦且发散度极小的光束，使其适用于精密的光学应用。

通过调整气孔的尺寸和晶格常数（光子晶体中原子之间的间距），该设计可以扩展，以创建发射其他波长（例如近红外和可见光）的激光器。

“凭借我们在光子能带结构工程领域超过15年的经验，我们认识到将平带概念与BIC相结合可以有效地捕获光并减少损耗，”南洋理工大学电气与电子工程学院（EEE）和物理与数学科学学院的首席研究员王启杰说道。

“我们的激光器克服了现有微型激光器的缺点，为从下一代可穿戴技术到光学计算等各种应用打开了大门，”南洋理工大学电气与电子工程学院研究员、论文第一作者崔杰元表示。

“这项创新是拓扑光子学的一项突破，为集成光子系统中紧凑、坚固和可扩展的光源开辟了新途径，”未参与这项研究的宾夕法尼亚大学光子学专家甄波表示。

研究人员目前正在努力提高激光器的功率并将其集成到光电设备中。他们还为这项创新提交了技术披露，并正在寻求行业合作者将该技术推向市场。

这项研究发表在《自然光子学》（www.doi.org/10.1038/s41566-025-01665-6）上。