圖1.自組織拓撲激光輸出與基本原理概圖

自組織(Self-organization)是指個體元素通過內(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)半導體激光腔中的混沌多模同步現(xiàn)象使其在實際應用場景中的性能受到限制。拓撲光子學則起源于凝聚態(tài)物理中的拓撲物態(tài)理論，通過利用“拓撲不變量”描述光子晶體能帶結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建具有魯棒性、單向性、強局域化的光子態(tài)提供了新范式。

近日，中國科學院半導體研究所鄭婉華院士團隊在《激光與光子學評論》(Laser & Photonics Reviews)發(fā)表一項創(chuàng)新成果，成功觀測到基于離域化拓撲邊界態(tài)的自組織激射現(xiàn)象，實現(xiàn)了大規(guī)模高相干激光出射，精準破解了傳統(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)器件受限于物理機制，常需在二者間權(quán)衡妥協(xié);而該研究依托離域化拓撲邊界態(tài)與非厄米調(diào)制輔助的自組織同步機制，既保留了拓撲保護與自組織賦予的高相干性優(yōu)勢，又通過離域化擴展能量分布，最終形成“功率-相干性”協(xié)同優(yōu)化的創(chuàng)新技術方案。

研究團隊從經(jīng)典一維拓撲Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型出發(fā)，利用結(jié)構(gòu)的手征對稱性保護特性，調(diào)控SSH晶格中的單元耦合強度，實現(xiàn)拓撲邊界態(tài)在實空間中的離域化分布;同時，借助基于圖形化電極結(jié)構(gòu)的非厄米調(diào)制，離域化的拓撲邊界態(tài)能夠在無序背景中保持主導地位，呈現(xiàn)出獨特的自組織模式。與同等規(guī)模的光子晶體激光器相比，該拓撲激光器具有更高的空間相干性，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比度，同時，進一步擴大了拓撲邊界態(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.離域化拓撲邊界態(tài)的設計概念圖

圖3.拓撲激光器與同規(guī)模光子晶體實驗結(jié)果對比圖

這一方案不僅豐富了拓撲激光器的技術路徑，更呼應了拓撲光子學向集成光子芯片、高性能光發(fā)射器件滲透的發(fā)展趨勢，進一步推動了拓撲物理在光子領域的技術落地。該成果以“Self-organized lasing of delocalized state enabled by non-Hermitian manipulation and chiral symmetry”為題，發(fā)表于《激光與光子學評論》(Laser & Photonics Reviews，DOI：10.1002/lpor.202501772)。中國科學院半導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。

該項工作得到了國家自然科學基金、北京市科技新星等項目的資助。

審核編輯 黃宇