基于非厄米诱发拓扑态的新光场调控机理与激光研究

Non-Hermitian systems combined with topological band theory enrich numerous intriguing physics, e.g. edge/interface states immune to defects and disorders, and the application in systems with gain and loss, such as lasers, etc. In line with the trend in researches on non-Hermitian topological theory and micro- and nano-lasers, this applicant aims to study laser physics devices based on non-Hermiticity induced topological edge/interface state through theoretical analysis and numerical simulations. The design and fabrication of such devices are manipulated through microfabrication. In the end, we want to reveal the relationship between the device’s structure and performance. The main tasks of this proposed project are, 1) realizing novel non-Hermitian topological laser devices based on the Coupled Resonator Optical Waveguides structure in InGaAsP multiple quantum well gain media platform; 2) Exploring the intrinsic photonic zero mode and the underlying non-Hermitian particle-hole symmetry; 3) Exploiting non-Hermitian modulation with different distributions to realize the tunable spatial profiles. Based on the aforementioned efforts, we aim to realize a new class of non-Hermiticity induced topological laser which can have arbitrary cavity shape and high lasing stability, and develop topological semiconductor laser with high emission power.

非厄米体系结合拓扑能带理论有着丰富的物理，比如：存在不受缺陷和无序影响的边界态，可以和存在增益与损耗的体系如激光体系相结合的特性等。本项目根据当前国际上非厄米拓扑物理和微纳激光研究的发展趋势，以发展基于非厄米诱发拓扑边界态的激光器件与物理为目标，通过理论和数值模拟设计新型基于非厄米诱发拓扑边界态的激光器。通过微纳加工的手段制备该型激光器并研究其物理，揭示器件结构与器件性能的内在关联。所申请项目致力于解决拓扑激光相关关键物理问题，包括：1）在铟镓砷磷多量子阱增益介质平台上，以耦合光波导阵列结构实现该体系；2）在器件中探究光学零模以及內廪的非厄米粒子-空穴对称性；3）利用不同空间分布的非厄米调制实现空间可控的激射模式。通过上述工作实现一类基于非厄米诱发拓扑态的新型激光，通过拓扑保护特性提高激光器激射模式的稳定性，发展任意形状的微腔激光器以及大功率半导体激光器。

本项目目标为发展基于非厄密拓扑体系的激光物理与器件，主要研究内容包括非厄密体系拓扑偏振奇点激光，扑体态激光，拓扑涡旋激光等。在相关领域取得了系列创新成果。以下对项目资助下完成的5项代表性研究成果做简要概述。.1..发现了能带反转光场反射新机制，实现了高性能拓扑体态激光器.光反射是构建和操控光场的基础。我们实验发现了基于拓扑能带反转的光反射机制，并基于此实现了一种高性能的拓扑体态激光器【Nature Nanotechnology 15, 67–72, 2020】。相关工作发表在Nature Nanotechnology，入选ESI高被引论文。.2..在非厄密光学奇异点发现了约当矢量光辐射新机理.首次发现了光学奇异点的异常光辐射机制，观察到辐射源可以完全不激发体系唯一存在的本征态，打破了辐射源和辐射环境共同决定辐射场这一传统观点【Nature Physics 16, 571-578, 2020】。该工作获得了第49届Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics (PQE)最佳摘要奖，相关论文入选了2021年“中国百篇最具影响国际学术论文”。.3..实现了高性能钠基等离激元纳米激光器.首次制备出了高质量的金属钠-InGaAsP量子阱复合微结构并实现了近红外通讯波段纳米激光室温激射，创造了通讯波段同类纳米激光器阈值新低【Nature 581, 401-405 (2020)】。相关工作入选2020中国半导体研究十大进展和2020中国光学十大进展。.4..实现了基于模式耦合光场局域化机制的魔角激光器. 在无缺陷的周期性结构中基于模式耦合光场局域化机制实现了魔角激光器【Nature Nanotechnology 16, 1099–1105 (2021)】。Nature Nanotechnology同期的“新闻与视角”栏目配发了评论文章，认为魔角激光器的设计概念具有高度创新性，同时展现出优异性能。.5..发现自旋-动量锁定边界态外辐射新特性，实现高性能拓扑涡旋激光器.利用自旋动量锁定的拓扑边界态实现了高性能拓扑涡旋激光器，并发现了近场的拓扑模式信息与远场的激光光场信息存在一一对应关系【Physical Review Letters 125, 013903 (2020), 被选为编辑推荐论文和封面论文】。