来自美国、英国和新加坡的科学家通过研究得出了一个“反直觉”的结论：大功率激光器可以通过使用允许光随机地来回反射的激光腔来减少输出中不必要的波动，同时这项研究可以帮助我们更好地理解天气模式和湍流流体动力学。

从材料加工到外科手术，大功率激光器有着非常广泛的应用范围，但要保持发射光稳定输出是很困难的。这是因为激光的活性介质与光场（空间模式）的复杂非线性相互作用会导致混乱的波动，这种波动会降低激光器的输出功率和有效性。研究人员曾试图限制这些波动，但这可能也会限制激光的功率。

理想激光器的所有波前都完全平行，可以在一个频率上传输所有功率。然而，实际上在传统形状的激光腔中，我们所期望的纵向模式也会不可避免地激发横向模式。

制造波动

Ortwin Hess是伦敦帝国理工学院主攻量子纳米光子学理论领域的研究人员，他解释说：“这个过程就像一艘船在水中航行，有波浪被推到它前面，创造出的新波浪又被推到它旁边。” 只支持一种横向模式的窄激光腔通常能够保持稳定，然而大功率激光器需要大的激光腔，而多个横向模态会堆积在这些腔内，会迅速地导致光输出中的混乱波动。

Hess表示，研究人员尝试控制这些波动，主要投入在抑制这些多横向模态上，目的在于使这些腔场类似于小激光器的窄腔。这样的策略可以取得一定的成功，但是腔场固有的不稳定性依然不可消除。

图1混沌腔：在D形腔内产生量子混沌。在此致谢提供图片的Stefan Bittner等研究人员

Hess解释：“在半导体活性材料内部，光和物质的相互作用非常密切，这是半导体激光器的特点，这跟光线在通过粘性流体时会改变流体粘度有点像。” 例如，注入一个稳定的控制脉冲，可以成功地抑制一个泵浦电流下的多个横向模态，但当进一步增加电流时，又可能会导致它们重新出现。

消除不稳定性

帝国理工学院的Hess及其同事与耶鲁大学和新加坡南洋理工大学的研究人员进行了合作，合力展开了一项新的研究。该研究团队采用了与传统相反的方法，最大限度地提高了半导体激光器的模数。他们制造了一个没有纵向或横向模态的D型腔，与传统的腔相比，光线在D型腔的反射是混乱无序的。因此，半导体特质的波动实际上是随机的，并且尺度会低于波长范围。这种方法防止了大规模不稳定性的形成，清除了光场中的不稳定性并扩散作用到整个激光器中。

这种方法达到了一个令人惊讶的效果，它创造了一个宏观上与泵浦功率无关、本质上稳定的激光腔，可以同时在多个频率下发光而不会使其输出完全受不稳定波动的影响。激光物理学家Hui Cao是耶鲁大学研究团队的带头人，她表示：“与传统方法相反的是，我们不需要注入任何东西，而是设计腔体形状以消除不稳定性。”Hess做出了更形象的比较：在丘陵地区形成龙卷风的可能性会比在平坦国家和地区的更低，而这种利用亚波长混沌的稳定性方法就类似于上述理论。

专注于工业

然而，一些问题仍然存在。虽然激光器的输出轮廓是高度稳定的，但是它的光束还不能非常紧密地聚焦。Cao表示：“这对于机械加工和材料加工等应用领域来说不一定是个问题，因为这些应用关注的是产生特定的波面，加工厂商习惯使用高斯光束形状并将其转换为直线、正方形或三角形，他们想把这些图案写入到他们的设备上。这些光束不需要非常好的空间相干性，因为它们的形状大于衍射极限，而相对宽的带宽也不是一个大问题，因为加工厂商真正需要的是强度和光束形状的稳定性。”

许多类型的激光在大功率情况下都有类似上述的不稳定性，研究人员认为他们的腔体设计能够适用于这些激光类型，除此之外还可以应用于研究其他系统中的不稳定和混沌行为。Cao表示：“我们正努力与其他领域沟通，看看我们的方案是否可用于抑制其他非线性波动力系统的时空不稳定性，因为这里面基本的方程是相同的。”

意大利比萨大学的半导体物理学家Alessandro Tredicucci说：“随机或混沌谐振器一直是光学和光子学一个活跃的研究领域，但关于它的大多是基础研究。显然，这在这种情况下，混沌腔比传统的激光腔更有一些潜在的好处。但是他提醒说：“使用时必须投入更多的能量才能让所有这些模式同时激发，这会降低效率，也意味着这些混沌激光器的性能通常会低于传统的激光器。”

这项研究成果发表在了《科学》杂志上。

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