拓撲體態(tài)激光器
近日,北京大學(xué)物理學(xué)院馬仁敏研究員課題組實驗發(fā)現(xiàn)了拓撲能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應(yīng),將拓撲態(tài)的利用由拓撲邊緣態(tài)擴展至拓撲體態(tài),并基于此實現(xiàn)了一種高性能的拓撲體態(tài)激光器。這種新型激光器具有垂直出射、高方向性、小體積、低閾值、窄線寬、單橫模、單縱模和高邊模抑制比等優(yōu)異特性。相關(guān)工作被《Nature Nanotechnology》雜志以標(biāo)題 “A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection” 進行長文報道。 激光器的發(fā)明加深了人們對光與物質(zhì)相互作用的認識,并對現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。至激光器發(fā)明以來,激光微型化始終是一個重要的研究方向。半導(dǎo)體激光器因為易于電泵浦和規(guī)模生產(chǎn)與集成等優(yōu)點,是激光微型化的首要選擇。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,半導(dǎo)體激光器的微型化已經(jīng)取得了巨大的成就。尤其是具有垂直出射特性的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL),目前已有數(shù)以百億計的該型激光器被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通訊、激光雷達、人臉識別、數(shù)據(jù)存儲與醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域。圖1:拓撲體態(tài)激光器原理和示意圖。(a) 用于構(gòu)造能帶反轉(zhuǎn)的拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)光子晶體示意圖。(b) 實驗中發(fā)現(xiàn)能帶反轉(zhuǎn)可用來實現(xiàn)光場的反射和限制。(c) 垂直發(fā)射拓撲體態(tài)激光器示意圖。拓撲體態(tài)激光器出射方向垂直于光學(xué)腔反饋平面。 馬仁敏研究員與合作者提出并實現(xiàn)了一種新型垂直發(fā)射激光器—拓撲體態(tài)激光器。這種新型激光器直徑只有數(shù)微米,具有良好的垂直發(fā)射方向性, 窄線寬,單橫模、單縱模,能夠在室溫下以千瓦每平方厘米閾值穩(wěn)定工作,單模輸出邊模抑制比超過36 dB。這些性能與商業(yè)化激光二極管相當(dāng),根據(jù)IEEE以及相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),指標(biāo)滿足多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域需求。 該類激光器的實現(xiàn)有賴于實驗中發(fā)現(xiàn)的一種新型光反射和限制機制:能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應(yīng)。圖1給出了能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應(yīng)和基于其實現(xiàn)拓撲體態(tài)激光器的原理和示意圖:實驗中首先通過對二維光子晶體進行變形操作,分別獲得了具有拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)的能帶結(jié)構(gòu);相較于拓撲平庸態(tài),拓撲態(tài)的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)中發(fā)生偶極子和四極子能帶間的能量反轉(zhuǎn);實驗和理論計算發(fā)現(xiàn)頻率靠近能帶邊緣的光場雖然在拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)中都可以自由傳播,但是在兩者的界面處會發(fā)生能帶反轉(zhuǎn)引起的光場發(fā)射;該能帶反轉(zhuǎn)引起的光場反射和限制效應(yīng)僅發(fā)生在布里淵區(qū)中心附近,越靠近布里淵區(qū)中心,光場反射和限制越有效,使得利用該類型反射機制構(gòu)建的拓撲體態(tài)激光器具有單橫模、單縱模、面內(nèi)反饋、垂直出射等優(yōu)異特性。圖2:拓撲體態(tài)激光器件與性能。(a-b) 拓撲體態(tài)激光器諧振腔(a)和拓撲界面處(b)的電鏡圖。(c)隨功率變化的光譜。(d)激射光譜。(e)激射實空間近場分布。(f)激射角分辨遠場分布。 能帶反轉(zhuǎn)光場反射和限制效應(yīng)為激光物理提供了一種新穎的激光模式選擇和出射光場調(diào)控機制?;谠撛順?gòu)建的新型拓撲激光器各項性能均達到了可商業(yè)化應(yīng)用的水平(圖2)。新的光場反射和限制機制將拓撲態(tài)的利用由拓撲邊緣態(tài)擴展至拓撲體態(tài),同時該原理可以拓展到電子學(xué)、聲學(xué)和聲子學(xué)等領(lǐng)域。 該工作發(fā)表于Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/s41565-019-0584-x),馬仁敏研究員為論文通訊作者;北京大學(xué)博士后邵增凱、博士生陳華洲和王所為共同第一作者;其他作者包括北京大學(xué)博士生冒芯蕊、楊振乾、訪問學(xué)生王少雷,以及日本國立材料研究所教授胡曉,學(xué)生王星翔。這項工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市自然科學(xué)基金、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。
北京大學(xué)
2021-04-11