美国的研究人员已经生产出可以扩展到任意高功率同时保持其频率纯度的激光器。 他们的发明依赖于对狄拉克半导体（如石墨烯）中电子物理的模拟，解决了可追溯到激光发明的问题。 研究人员认为，他们的工作还可以激发宏观尺度量子力学的基本理论发现。
任何激光器基本上都包含两个基本组件：腔体和增益介质——通常是半导体，解释说 布巴卡尔·坎特 加州大学伯克利分校 - 一篇论文的资深作者，该论文将出现在 自然 描述激光。 “半导体发射的频率范围很广，腔体选择放大的频率以达到激光阈值。”
问题是任何腔体不仅支持激光器的基态“基本”频率，而且支持几个更高频率的激发态。 更加努力地泵浦腔以提高激光器的功率不可避免地倾向于将这些较高频率的状态激发到激光阈值。 更高功率的激光器需要更大的腔体，但这些腔体支持更密集的频谱。
没有人知道该怎么做
“如果增益只与基波重叠，那么只有基波会发射激光，人们一直在毫无问题地制造纳米激光器，”Kanté 说。 “但如果高阶模式接近，你就无法区分两者，它们都会发射激光。 这是一个六年之久的问题：每个人都知道，但没有人知道该怎么做。”
到现在为止，就是这样。 研究人员推断，如果基本腔模能够从增益介质中吸收所有能量，那么所有高阶模都将被抑制。 传统激光腔中的问题是基态波函数在腔的中心达到最大值，而向边缘下降到零。 “在任何表面发射激光器或我们迄今为止所知的任何腔体中……都没有来自边缘的[基频]激光，”Kanté 解释说。 “如果没有来自边缘的激光，那么你在那里可以获得很多收益。 正因为如此，二阶模式存在于边缘，很快激光就变成了多模。”
为了解决这个问题，Kanté 及其同事使用了光子晶体。 这些是周期性结构，与电子半导体一样，具有“带隙”——它们不透明的频率。 与电子学中的石墨烯一样，光子晶体的能带结构中通常包含狄拉克锥。 在这种锥体的顶点是带隙关闭的狄拉克点。
六方光子晶体
研究人员设计了一个激光腔，其中包含一个边缘开放的六边形光子晶格，允许光子泄漏到晶体周围的空间中，这意味着波函数在其边缘不限于为零。 光子晶体在零动量处有一个狄拉克点。 由于动量与波矢量成正比，因此面内波矢量为零。 这意味着空腔确实支持整个晶格上的单值模式。 如果腔体以这种模式的能量被泵送，那么无论腔体有多大，都不会有能量进入任何其他模式。 “光子没有平面内的动量，所以剩下的唯一一件事就是让它垂直逃逸，”Kanté 解释说。
研究人员制造了由 19、35 和 51 个孔组成的空腔：“当你不以狄拉克频率奇点泵浦时，你会看到在多个峰值处发射激光，”Kanté 说。 “在狄拉克奇点，它永远不会变成多模态。 平坦模式消除了高阶模式的增益。” 理论建模表明，即使对于包含数百万个孔的空腔，该设计也应该有效。
拓扑光源发出的光具有高和多轨道角动量
未来，Kanté 相信他的团队开发的概念可能会对电子学本身产生影响，以及更广泛地影响量子力学在宏观世界中的可扩展性。 “量子科学的所有挑战都是规模化，”他说。 “人们正在研究超导量子比特、被困原子、晶体缺陷……他们唯一想做的就是规模化。 我的主张是，这与薛定谔方程的基本性质有关：当系统闭合时，它不会缩放； 如果你想让系统扩展，系统需要有损失，”他说。
梁峰 宾夕法尼亚大学的博士补充说：“单模广域激光器是半导体激光器界积极追求的圣杯之一，可扩展性是最关键的优点”。 “[Kanté 的工作] 展示了人们正在寻找的东西，它展示了出色的实验结果支持的卓越可扩展性。 显然，需要做更多的工作来将这种在光泵浦激光器中展示的策略转变为可行的电注入二极管激光器，但我们可以期待这项工作将激发新一代的高性能激光器，从而使多个改变游戏规则的行业受益像虚拟现实和增强现实系统、激光雷达、国防以及激光在其中发挥关键作用的许多其他系统。”
该团队将其设备称为伯克利表面发射激光器 (BerkSEL)，并以 他们论文的未经编辑的预览版 目前在 自然 网站。
