马仁敏课题组实现高量子效率拓扑偏振奇点激光

　　

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室马仁敏研究员课题组提出了一种双辐射通道微腔反馈机制，各辐射通道具有不同的拓扑偏振特性，并基于此机制实现了高量子效率拓扑偏振奇点激光。该研究成果以《具有高辐射效率通道的拓扑偏振奇点激光》（Topological polarization singular lasing with highly efficient radiation channel）为题，于10月30日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

在不同维度实现光场极端局域化的高性能激光极大地推动了现代科学和技术的发展，其中在空间维度实现局域化的微型化激光成为了现代信息技术的基石。激光反馈腔的设计是实现高性能微型化激光的核心。

拓扑偏振奇点激光具有成对的辐射通道（图1）。成对的通道中的一个为奇点通道，携带拓扑偏振奇点，不携带能量至光学远场；另一个为辐射通道，其辐射场不携带偏振奇点，为线性偏振。奇点通道使得此反馈机制具有相对较高的品质因子，易于实现单模激射；辐射通道使得此反馈机制具有较高的辐射速率，易于实现高激射量子效率。本工作实现的拓扑偏振奇点激光室温激射阈值仅为每平方厘米1kW，线宽为0.14nm，边模抑制比超过36dB，量子效率达24.5%（图2）。

图1：拓扑偏振奇点激光示意图。该激光具有成对的辐射通道，左侧的拓扑奇点通道和右侧的线偏振辐射通道

图2：拓扑偏振奇点激光的电子显微镜照片和辐射特性;（a）电子显微镜照片；（b）动量和波长分辨的自发辐射形成的能带图;（c）激射的动量空间照片，其中包含两个奇点通道和它们对应的辐射通道;（d、e）动量空间拓扑奇点附近的偏振状态;（f）输出功率和线宽随输入功率的变化图;（g）外量子效率随输入功率的变化图

北京大学物理学院特聘副研究员桑云刚、2019级博士研究生卢静玉、2020级博士研究生欧阳云浩和栾弘义为论文共同第一作者，论文作者还包括北京大学2021届本科毕业生吴家昊（现为美国哥伦比亚大学博士研究生）和李嘉镛（现为瑞士苏黎世联邦理工学院硕士研究生），马仁敏为论文通讯作者。这项工作得到了国家重点研发计划、北京市自然科学基金、国家自然科学基金以及腾讯基金等支持。