原創(chuàng)的拓撲腔面發(fā)射激光器出世！有望解決拓撲物理應用的瓶頸

2022-04-12 11:15:01來源：化工儀器網閱讀量：143 評論

　　半導體激光器是一種以半導體材料(主要是化合物半導體)作為工作物質，以電流注入作為激勵方式的一種激光器。自1962年世界上第一臺半導體激光器發(fā)明問世以來，半導體激光器發(fā)生了巨大的變化，極大地推動了其他科學技術的發(fā)展，被認為是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一。近十幾年來，半導體激光器的發(fā)展更為迅速，已經成為世界上發(fā)展最快的一門激光技術。

　　半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域，已成為當今光電子科學的核心技術。半導體激光器體積最小、效率最高、波長最廣，價格最低，是各類應用場景之首選，目前它在光電子領域中應用非常廣泛，已受到世界各國的高度重視。

　　但是，半導體激光器出射功率低和光束質量差是瓶頸，難點更在于這兩個指標一般無法同時提高，即雖然增大器件尺寸可以提高激光功率，但是大器件中的多模激射會降低光束質量。在此之前，中國科學院物理研究所陸凌團隊提出了“狄拉克渦旋”拓撲光腔是目前已知大面積單模性最好的光腔設計，可從原理上突破現有瓶頸，并提高出射功率和光束質量。

　　近日，研究團隊將原創(chuàng)的拓撲光腔應用于面發(fā)射半導體激光器中，研制出了拓撲腔面發(fā)射激光器(TCSEL)，，得到了遠超同類商用產品的指標和性能。該TCSEL在1550nm這一最重要的通信和人眼安全波段，同時實現了單個器件10W峰值功率、小于1°的遠場發(fā)散角、60dB邊模抑制比，以及二維多波長陣列的集成能力。

　　研究分析主流單模半導體激光器的設計發(fā)現，用于互聯(lián)網通信的分布式反饋邊發(fā)射激光器和用于手機人臉識別的垂直腔面發(fā)射激光器，在其最優(yōu)化的諧振腔設計中均采用了一維周期結構中帶間拓撲缺陷模式來實現穩(wěn)定單模工作。而TCSEL正是延續(xù)和推廣了這樣的成功路線，實現了與半導體芯片平面工藝最匹配的二維版本。

　　大面積單模是TCSEL的優(yōu)勢，同時提高了出射功率和光束質量——面發(fā)射峰值功率大于10W，光束發(fā)散角小于1°。TCSEL的高功率和低發(fā)散角優(yōu)勢可以增加三維傳感的距離，減少光學系統(tǒng)的尺寸、復雜性和成本。波長靈活性是TCSEL的另一個優(yōu)勢，如可以實現二維多波長面陣。TCSEL的波長可以在平面加工過程中任意調節(jié)，這種多波長TCSEL二維陣列可以潛在地提高波分復用技術的功率、帶寬和集成度，可應用于高容量信號傳輸和多光譜激光傳感等應用領域。

　　拓撲物理自量子霍爾效應發(fā)現以來，一直是基礎研究領域的焦點。雖然拓撲魯棒性在理論上可以顯著提高器件的穩(wěn)定性和指標，但至今沒有明確的應用出口，TCSEL的發(fā)明有望解決拓撲物理應用的瓶頸。同時，TCSEL的發(fā)明對于人臉識別、自動駕駛、虛擬現實所需的三維感知和激光雷達等新興技術有重要意義。

　　相關研究成果以Topological-cavity surface-emitting laser為題，在線發(fā)表在Nature Photonics上。

　　
(資料參考來源：《自然—光子學》)

　　原標題：原創(chuàng)的拓撲腔面發(fā)射激光器出世！有望解決拓撲物理應用的瓶頸

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