对半导体激光器形状的简单修改可以提高其光束的质量

混沌腔表面发射激光器阵列的图解。这类新的激光器阵列结合了混沌腔和表面发射配置的优势，以实现高质量的照明和高速通信。资料来源：KAUST; Omar Alkhazragi

​KAUST的科学家们展示了一种改变紧凑型半导体激光器的简单方法，使其在照明和全息摄影方面更加实用。这项研究发表在《Optica》杂志上。

半导体技术允许将激光器的所有元素装入一个微米级的设备中。这包括一个具有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，或称VCSEL，就是这样一种设备。这些装置是通过在基底上精确地放置或生长交替的半导体层来创造一个高反射的堆栈。然后在上面生长活性材料，接着是第二个反射层。然后，激光可以从该设备的顶部发射出来。

VCSEL的优势在于可以在同一衬底上同时创建和使用数百个。但是光束容易出现斑点状的轮廓，这使得它不适合于照明、全息、投影和显示等应用。这些都需要在垂直于光束传播方向的平面上有均匀的光线。

斑点源于腔体的高度有序性，它只允许发射少量的模式或光束轨迹。"研究员Omar Alkhazragi解释说："VCSELs利用了一个有序的腔体，它只允许光在少数模式下产生共振，而且效率特别高。"这些模式中的光子相互干扰，导致斑点和低照明质量"。

Alkhazragi和KAUST的同事以及来自中国的合作者已经证明，只需改变设备的形状，打破腔体的对称性，就可以减少来自VCSELs的激光的斑点。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和他的团队研究了具有D形腔的VCSELs，并将其与具有标准圆柱形或O形几何形状的VCSELs进行比较。他们观察到，D型设备表现出大幅降低的相干性，并相应地增加了60%的光功率，这是可以实现的最大限度。

研究人员将这一改进归功于腔内光线的混乱动态。由于光是以相互不相干的模式发射的，所以斑点的可见度降低了。

"Alkhazragi说："机器学习可以帮助设计腔体，进一步最大化模式的数量，降低相干性，从而将斑点密度降低到人类的感知之下。

参考资料

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

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