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北大物理学院马仁敏课题组实现基于模式耦合光场局域化机制的魔角激光器

2021-08-26

 

微纳激光(guang)器通(tong)(tong)过有效光(guang)学(xue)反(fan)馈机制(zhi)将(jiang)光(guang)场局域在(zai)波长量级或(huo)更(geng)小尺度(du),从而增强光(guang)与物质(zhi)(zhi)相互作用,提升激光(guang)器性能(neng),可实现低能(neng)耗和高调(diao)制(zhi)速(su)率相干激射,在(zai)数据通(tong)(tong)信、光(guang)传感、片上(shang)光(guang)电(dian)互联等领域有着广泛应用前景。光(guang)场的(de)(de)局域化(hua)通(tong)(tong)常由材料光(guang)学(xue)性质(zhi)(zhi)的(de)(de)空间不(bu)连续性或(huo)无序(xu)化(hua)引起,比如不(bu)同折射率材料界面的(de)(de)全内(nei)反(fan)射可形(xing)成(cheng)回音壁(bi)局域模式(shi),光(guang)子晶(jing)体中(zhong)的(de)(de)结构缺陷可形(xing)成(cheng)光(guang)学(xue)禁带(dai)局域的(de)(de)缺陷模式(shi),无序(xu)结构中(zhong)的(de)(de)多重散射可形(xing)成(cheng)安德森局域化(hua)模式(shi),等等。

近日,北(bei)京(jing)大学(xue)物(wu)理(li)学(xue)院、人工微结(jie)构和介观物(wu)理(li)国家重点实(shi)验(yan)室、纳(na)(na)光(guang)(guang)电子(zi)(zi)(zi)前沿科学(xue)中(zhong)心马仁敏(min)研究员课题(ti)组在无(wu)缺陷的(de)(de)周期性结(jie)构中(zhong)基(ji)于(yu)模式(shi)耦(ou)合(he)(he)光(guang)(guang)场(chang)局(ju)(ju)(ju)域化机制(zhi)实(shi)现了(le)魔(mo)角(jiao)(jiao)激光(guang)(guang)器(图(tu)1)。魔(mo)角(jiao)(jiao)激光(guang)(guang)器中(zhong)的(de)(de)光(guang)(guang)场(chang)局(ju)(ju)(ju)域化来源于(yu)形成莫尔(er)超(chao)晶(jing)格的(de)(de)两套(tao)(tao)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)模式(shi)之间(jian)的(de)(de)耦(ou)合(he)(he),无(wu)需(xu)形成光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)禁带,因而无(wu)需(xu)对结(jie)构参数进行精(jing)确调控;也就(jiu)是说,只要简单地将两套(tao)(tao)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)扭转一定角(jiao)(jiao)度并叠加,即(ji)可(ke)产生亚(ya)波长局(ju)(ju)(ju)域的(de)(de)高品质因子(zi)(zi)(zi)纳(na)(na)米光(guang)(guang)腔。该(gai)光(guang)(guang)场(chang)局(ju)(ju)(ju)域机制(zhi)可(ke)应用于(yu)纳(na)(na)米激光(guang)(guang)器、纳(na)(na)米发光(guang)(guang)二极(ji)管(guan)、非线性光(guang)(guang)学(xue)和腔量子(zi)(zi)(zi)电动(dong)力学(xue)等研究。

图(tu)(tu)1 魔角激光(guang)器示意(yi)图(tu)(tu)(其中(zhong)的光(guang)场局(ju)域化来(lai)源于模式耦合,无需形成光(guang)子(zi)晶体禁(jin)带(dai),即可(ke)实现亚波长局(ju)域的高品质因子(zi)纳米(mi)光(guang)腔)

不同(tong)于两层石墨烯(xi)扭(niu)(niu)转(zhuan)(zhuan)形(xing)(xing)成电(dian)子(zi)体(ti)(ti)系的(de)(de)(de)(de)魔角(jiao)(jiao)(jiao)结构(gou),课(ke)题组利用微纳(na)(na)加工技术(shu),将两套(tao)扭(niu)(niu)转(zhuan)(zhuan)的(de)(de)(de)(de)光(guang)子(zi)晶体(ti)(ti)晶格做在(zai)(zai)同(tong)一层的(de)(de)(de)(de)半导体(ti)(ti)材料(liao)中(图(tu)2a, b),由此形(xing)(xing)成具有更大周期的(de)(de)(de)(de)莫尔超晶格,其(qi)对(dui)应的(de)(de)(de)(de)布(bu)(bu)里渊区内会因(yin)两套(tao)光(guang)子(zi)晶体(ti)(ti)模式(shi)之(zhi)间(jian)的(de)(de)(de)(de)耦(ou)合(he)而形(xing)(xing)成光(guang)子(zi)晶体(ti)(ti)能带的(de)(de)(de)(de)扁(bian)平化(hua),对(dui)应的(de)(de)(de)(de)实空间(jian)波函数分布(bu)(bu)也(ye)(ye)会局(ju)域化(hua)。由于两套(tao)光(guang)子(zi)晶体(ti)(ti)中的(de)(de)(de)(de)布(bu)(bu)洛赫波函数在(zai)(zai)垂直(zhi)于传(chuan)播方向的(de)(de)(de)(de)维度(du)完(wan)全重合(he),两者之(zhi)间(jian)的(de)(de)(de)(de)耦(ou)合(he)也(ye)(ye)随之(zhi)增强(qiang),所以在(zai)(zai)较大的(de)(de)(de)(de)扭(niu)(niu)转(zhuan)(zhuan)角(jiao)(jiao)(jiao)度(du)下仍(reng)然(ran)可以得到光(guang)场(chang)的(de)(de)(de)(de)强(qiang)局(ju)域化(hua)。课(ke)题组对(dui)两套(tao)光(guang)子(zi)晶体(ti)(ti)之(zhi)间(jian)扭(niu)(niu)转(zhuan)(zhuan)角(jiao)(jiao)(jiao)度(du)为(wei)(wei)2.65o的(de)(de)(de)(de)魔角(jiao)(jiao)(jiao)纳(na)(na)米光(guang)腔(qiang)开展了详尽的(de)(de)(de)(de)理论和实验(yan)研究(jiu);三维模拟计算表明,该纳(na)(na)腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)模式(shi)体(ti)(ti)积(ji)仅约(yue)0.02×(波长)3,品质(zhi)因(yin)子(zi)高(gao)于4×105。该魔角(jiao)(jiao)(jiao)纳(na)(na)腔(qiang)在(zai)(zai)功率(lv)约(yue)为(wei)(wei)6 kW/cm2激励下发生自发辐(fu)射(she)到受激辐(fu)射(she)的(de)(de)(de)(de)阈值转(zhuan)(zhuan)变,激射(she)后(hou)辐(fu)射(she)光(guang)谱线宽(kuan)约(yue)0.24 nm(图(tu)2c, d)。

图2 魔角激(ji)(ji)光器(qi)电子显微镜照(zhao)(zhao)片和激(ji)(ji)射特(te)性:(a)为魔角激(ji)(ji)光器(qi)电镜照(zhao)(zhao)片,(b)为其局部(bu)放大;(c)和(d)分别为魔角激(ji)(ji)光器(qi)激(ji)(ji)射近场光斑照(zhao)(zhao)片和激(ji)(ji)射光谱

此外,课(ke)题(ti)组还详(xiang)细研究了转(zhuan)角(jiao)为(wei)4.41o、6.01o和9.43o的(de)魔角(jiao)激(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)能(neng)带结构(gou)、模式局域(yu)(yu)特(te)性(xing)和激(ji)射特(te)性(xing)(图3),进一步阐释(shi)了该光(guang)(guang)(guang)场局域(yu)(yu)机制不依(yi)赖光(guang)(guang)(guang)子晶体禁(jin)带而实现光(guang)(guang)(guang)场局域(yu)(yu)的(de)特(te)性(xing)及其在(zai)不同转(zhuan)角(jiao)下的(de)适用性(xing)。

图(tu)3 不同转角(4.41o、6.01o和(he)9.43o)下,魔角激光(guang)器的电子(zi)显微镜照(zhao)片(a-c)、能带结构(d-f)和(he)激射近场光(guang)斑照(zhao)片(g-i)

相关研究成果以“纳(na)米(mi)结构莫尔(er)超(chao)晶格(ge)中的魔(mo)角激光(guang)(guang)器(qi)”(Magic-angle lasers in nanostructured moiré superlattice)为(wei)(wei)题,2021年8月16日在线发表于《自然·纳(na)米(mi)技术(shu)》(Nature Nanotechnology);物理学院2019级(ji)博(bo)士(shi)研究生冒芯蕊、邵增凯副研究员、2020级(ji)博(bo)士(shi)研究生栾弘义和(he)王(wang)少雷为(wei)(wei)共(gong)同第一(yi)作者;马仁敏为(wei)(wei)通讯作者。同期的“新闻与视(shi)角”栏目配发了雅(ya)典大学(National and Kapodistrian University of Athens)Kosmas Tsakmakidis博(bo)士(shi)的评论文章,认为(wei)(wei)纳(na)米(mi)激光(guang)(guang)器(qi)是发展集成光(guang)(guang)电子和(he)硅(gui)基(ji)光(guang)(guang)子器(qi)件(jian)的关键(jian)元件(jian)(Nanolasers are key components under development for contemporary integrated optoelectronics and silicon photonics),魔(mo)角激光(guang)(guang)器(qi)的设计(ji)概念具有高度创新性(exceptionally innovative design concept)并(bing)展现出优异性能(exhibits exceptional performance)。

上述(shu)研究(jiu)工作得到北京市自(zi)然科学(xue)基金(jin)、国(guo)家自(zi)然科学(xue)基金(jin)、国(guo)家重(zhong)点(dian)研发计划(hua),及人工微结(jie)构(gou)和介观物理(li)国(guo)家重(zhong)点(dian)实验室、纳(na)光电子前沿科学(xue)中心、北京大学(xue)长三角光电科学(xue)研究(jiu)院(yuan)等支持。

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