圖1.自組織拓?fù)浼す廨敵雠c基本原理概圖

自組織(Self-organization)是指?jìng)€(gè)體元素通過內(nèi)部相互作用自發(fā)排列成有序模式的集體共振現(xiàn)象。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光腔中的混沌多模同步現(xiàn)象使其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的性能受到限制。拓?fù)涔庾訉W(xué)則起源于凝聚態(tài)物理中的拓?fù)湮飸B(tài)理論，通過利用“拓?fù)洳蛔兞俊泵枋龉庾泳w能帶結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建具有魯棒性、單向性、強(qiáng)局域化的光子態(tài)提供了新范式。

近日，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士團(tuán)隊(duì)在《激光與光子學(xué)評(píng)論》(Laser & Photonics Reviews)發(fā)表一項(xiàng)創(chuàng)新成果，成功觀測(cè)到基于離域化拓?fù)溥吔鐟B(tài)的自組織激射現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模高相干激光出射，精準(zhǔn)破解了傳統(tǒng)激光器中“高功率與高相干性互相牽制”的核心矛盾——傳統(tǒng)器件受限于物理機(jī)制，常需在二者間權(quán)衡妥協(xié);而該研究依托離域化拓?fù)溥吔鐟B(tài)與非厄米調(diào)制輔助的自組織同步機(jī)制，既保留了拓?fù)浔Ｗo(hù)與自組織賦予的高相干性優(yōu)勢(shì)，又通過離域化擴(kuò)展能量分布，最終形成“功率-相干性”協(xié)同優(yōu)化的創(chuàng)新技術(shù)方案。

研究團(tuán)隊(duì)從經(jīng)典一維拓?fù)銼u-Schrieffer-Heeger(SSH)模型出發(fā)，利用結(jié)構(gòu)的手征對(duì)稱性保護(hù)特性，調(diào)控SSH晶格中的單元耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥吔鐟B(tài)在實(shí)空間中的離域化分布;同時(shí)，借助基于圖形化電極結(jié)構(gòu)的非厄米調(diào)制，離域化的拓?fù)溥吔鐟B(tài)能夠在無序背景中保持主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)出獨(dú)特的自組織模式。與同等規(guī)模的光子晶體激光器相比，該拓?fù)浼す馄骶哂懈叩目臻g相干性，這使其展現(xiàn)出更低的閾值、更穩(wěn)定的輸出空間模式以及更高的散斑對(duì)比度，同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)大了拓?fù)溥吔鐟B(tài)的空間分布規(guī)模，并引入移相耦合器以提升輸出光功率密度。

圖2.離域化拓?fù)溥吔鐟B(tài)的設(shè)計(jì)概念圖

圖3.拓?fù)浼す馄髋c同規(guī)模光子晶體實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

這一方案不僅豐富了拓?fù)浼す馄鞯募夹g(shù)路徑，更呼應(yīng)了拓?fù)涔庾訉W(xué)向集成光子芯片、高性能光發(fā)射器件滲透的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步推動(dòng)了拓?fù)湮锢碓诠庾宇I(lǐng)域的技術(shù)落地。該成果以“Self-organized lasing of delocalized state enabled by non-Hermitian manipulation and chiral symmetry”為題，發(fā)表于《激光與光子學(xué)評(píng)論》(Laser & Photonics Reviews，DOI：10.1002/lpor.202501772)。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所博士后陳靜瑄與博士生唐臣燕為共同第一作者，青年研究員王明金與鄭婉華院士為共同通訊作者。

該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科技新星等項(xiàng)目的資助。

審核編輯 黃宇