拓扑体BIC能够实现紧凑、单模和光束工程的QCLs

1/1左上角面板： 在0°到135°的不同极化下，远场光束的数值计算结果。左下图： 脉冲电泵下的QCL装置的示意图和发射的激光束。右上角面板： 在其最大输出时测量的激光光谱。插图显示了以dB为单位的光谱，侧模抑制率约为20dB。右下角面板： 探测到的远场光束轮廓和其偏振分辨光束轮廓。资料来源：韩松，崔杰远，蔡云达，曾永权，胡亮星，戴明进，王法坤，孙方圆，朱松，李连和，Alexander Giles Davies，Edmund Harold Linfield，陈传胜，Yuri Kivshar，王启杰

电泵浦半导体激光器是最重要的光源之一，因为其效率高、结构紧凑、固态稳定。对于中红外和太赫兹辐射，量子级联激光器（QCLs）是通过电泵浦操作的最重要的光源。为了证明单模激光器的发射，可以在山脊激光器的顶部设计人工分布反馈（DFB）光栅。

这种基于DFB的QCLs可以产生接近瓦特级的输出发射，同时保持单模发射。然而，除了单模操作外，对QCL的研究仍然需要非微妙的光束工程（如圆偏振光束、涡流光束和其他矢量光束）和来自单一激光器件的高光发射，这对于先进的光电应用，如通信、成像、光谱学等是非常需要的。

在发表在《光科学与应用》上的一篇新论文中，由新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的王琦杰教授领导的科学家团队开发了一种电泵浦紧凑型拓扑体激光器，它能同时提供单模发射和全动态范围的圆柱形矢量光束。

"电泵浦拓扑绝缘体激光器的开发最近引起了很多研究兴趣，因为它被认为是一个很有前途的方向，在将拓扑光子学的界限推向实际应用方面具有很大的前景。光子拓扑学源于凝聚态物理学。研究人员说："通过适当地构建一个拓扑光子腔，并将其与增益材料相结合，我们可以使其发光。

"同时，光子波段拓扑结构允许光模式被稳健地保护起来，免受缺陷、紊乱和急剧弯曲的影响。在我们团队的另一项独立工作中，我们已经证明拓扑边缘状态确实为太赫兹QCLs提供了前所未有的稳健性。现在，在新提出的工作中，我们把注意力放在反映著名的拓扑体-边缘对应关系的拓扑体带边缘上。

"我们表明，带状逆变的拓扑带边缘支持高品质因子，使其在增益竞争中比所有其他光子模式更有优势。我们采用了常用的QCL晶片，该晶片由双金属层填充。研究人员解释说："拓扑光子腔的非三域被三域所包围，从表面发射面蚀刻出气筒孔。

"构建这样的[一个]装置有几个优点，"他们继续说。"首先，存在于拓扑结构域中的光模式不能在横向传播到琐碎结构域，因为它们的拓扑相位不同。这就产生了对拓扑域中所需的光学模式的横向限制。其次，由于带边模式具有无限Q因子的对称性不相容性和动量空间的远场偏振奇异性，它们是众所周知的连续体中的束缚态（BICs），它提供了垂直约束。这两种机制对于激光设备的小型化和单模激光发射都是非常理想的。有趣的是，BIC的远场拓扑结构，即偏振奇异性，发射出矢量光束，"他们补充说。

"单片太赫兹矢量光束激光器的展示将吸引不同研究领域的大量兴趣。基本上，我们的激光器腔体设计只依赖于介质折射率的调制。因此，它可以很容易地扩展到其他波长区，如中红外、近红外和可见光区，这可以为更多的潜在应用而开发，"科学家们总结说。
 

参考资料

Song Han et al, Electrically-pumped compact topological bulk lasers driven by band-inverted bound states in the continuum, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01200-8