提起激光，大家恐怕都不陌生。從1960年美國科學家梅曼發明出世界上第一臺激光器以來，激光已經走進了我們的日常生活，廣泛應用于通信、醫學成像與手術、傳感和精密測量等領域，悄然改變著世界的模樣。
那么，激光器到底可以做到多小呢？
這個問題聽起來簡單，其實背后涉及到一個核心挑戰：我們該如何“壓縮”光子？
這不僅是科學家追求的目標，也關系到未來能否研制出更小、更快、更強大的光子芯片和信息處理系統。
基于納米激光器陣列構建的有源光頻相控陣，可實現激光器的相干“同步起舞”，按需輸出 “中”“國”等任意圖形的相干激射圖案。作者供圖
極限“壓縮”光子的挑戰：
衍射極限
在信息技術的世界里，晶體管和激光器是兩大核心元件。晶體管的微型化推動了電子芯片的飛速發展，并催生了廣為人知的摩爾定律，即每隔約18個月，集成電路上可容納的晶體管數量將翻一番。這一趨勢使得最先進的晶體管的特征尺寸已達到納米級別，如在手機和電腦芯片中能夠集成超過百億個晶體管，這賦予信息設備強大的信息處理能力。
與晶體管相比，縮小激光器的難度要大得多，這主要源于兩者所依賴的微觀粒子截然不同：晶體管依賴電子，而激光器依賴光子。在可見光和近紅外波段，光子的波長比晶體管中電子的德布羅意波長高出3個數量級。受衍射極限的制約，這些光子能夠被壓縮到的最小模式體積，比晶體管中的電子大約九個數量級——10億倍。
構建納米尺度激光器的核心挑戰在于如何突破衍射極限，將光子的體積實現極限“壓縮”。
克服這一挑戰不僅能夠顯著推動光子技術的發展，還將催生許多全新的應用場景。設想一下，當光子能夠像電子一樣在納米尺度上被靈活操控時，我們將能夠用光直接觀察到DNA的精細結構，大規模光電集成芯片的實現也將成為可能，進而將帶來信息處理速度和效率的飛躍性提升。
論文作者馬仁敏（右）與毛文志（左）在實驗室。圖源：北京大學新聞網
構建新理論框架：
將激光器研制推進至原子級別
為了突破光學衍射極限，實現對光子體積的極限“壓縮”，團隊提出了“奇點色散方程”，建立了介電體系中突破衍射極限的理論框架，并發明了一種制備特征尺寸小至1nm的光學納腔的新方法。
在此基礎上，團隊研制出目前已知模式體積最小的奇點介電納米激光器，首次將激光器的特征尺度推進至原子級別。
奇點介電納米激光器示意圖（a），激光器電場強度分布圖（b）。圖源：北京大學新聞網
這項研究為物質科學和生命科學等前沿領域提供了全新的相干光源。與傳統激光器相比，納米激光器具有能耗低、調制速度快等優勢，未來有望在信息技術等領域得到廣泛應用。
讓納米激光器“同步起舞”：
實現有源光頻相控陣
相控陣技術因其具備快速、無機械結構的波束掃描能力，在探測、成像和通信等方面具有重要戰略價值。然而，長期以來將相控陣拓展至光頻段一直面臨重大挑戰，主要難點包括短波長帶來的集成難度以及缺乏高效的相干控制機制。
為解決這一難題，團隊進一步利用納米激光器構建出有源光頻相控陣，實現了激光陣列的相干輸出與精確調控。無需外部鎖相，該系統可自發實現陣列內相位同步，按需輸出“P”“K”“U”和“中”“國”等任意圖形的相干激射圖案。通過進一步調控各區域激光器的相對相位，還能精準控制整體發射方向，實現光頻段的動態波束掃描。
圖源：北京大學新聞網
這一有源光頻相控陣技術有望突破當前光子器件集成的關鍵瓶頸，在微納光源陣列、片上通信系統和智能感知等領域展現出廣闊的發展前景。
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