“激光器”原创的拓扑腔面发射激光器出世！ 有望解决拓扑物理应用的瓶颈

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半导体激光器是一种以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物质，以电流注入作为激励方式的一种激光器。自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来，半导体激光器发生了巨大的变化，极大地推动了其他科学技术的发展，被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来，半导体激光器的发展更为迅速，已经成为世界上发展最快的一门激光技术。

半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器体积最小、效率最高、波长最广，价格最低，是各类应用场景之首选，目前它在光电子领域中应用非常广泛，已受到世界各国的高度重视。

但是，半导体激光器出射功率低和光束质量差是瓶颈，难点更在于这两个指标一般无法同时提高，即虽然增大器件尺寸可以提高激光功率，但是大器件中的多模激射会降低光束质量。在此之前，中国科学院物理研究所陆凌团队提出了“狄拉克涡旋”拓扑光腔是目前已知大面积单模性最好的光腔设计，可从原理上突破现有瓶颈，并提高出射功率和光束质量。

近日，研究团队将原创的拓扑光腔应用于面发射半导体激光器中，研制出了拓扑腔面发射激光器(TCSEL)，，得到了远超同类商用产品的指标和性能。该TCSEL在1550nm这一最重要的通信和人眼安全波段，同时实现了单个器件10W峰值功率、小于1°的远场发散角、60dB边模抑制比，以及二维多波长阵列的集成能力。

研究分析主流单模半导体激光器的设计发现，用于互联网通信的分布式反馈边发射激光器和用于手机人脸识别的垂直腔面发射激光器，在其最优化的谐振腔设计中均采用了一维周期结构中带间拓扑缺陷模式来实现稳定单模工作。而TCSEL正是延续和推广了这样的成功路线，实现了与半导体芯片平面工艺最匹配的二维版本。

大面积单模是TCSEL的优势，同时提高了出射功率和光束质量——面发射峰值功率大于10W，光束发散角小于1°。TCSEL的高功率和低发散角优势可以增加三维传感的距离，减少光学系统的尺寸、复杂性和成本。波长灵活性是TCSEL的另一个优势，如可以实现二维多波长面阵。TCSEL的波长可以在平面加工过程中任意调节，这种多波长TCSEL二维阵列可以潜在地提高波分复用技术的功率、带宽和集成度，可应用于高容量信号传输和多光谱激光传感等应用领域。

拓扑物理自量子霍尔效应发现以来，一直是基础研究领域的焦点。虽然拓扑鲁棒性在理论上可以显著提高器件的稳定性和指标，但至今没有明确的应用出口，TCSEL的发明有望解决拓扑物理应用的瓶颈。同时，TCSEL的发明对于人脸识别、自动驾驶、虚拟现实所需的三维感知和激光雷达等新兴技术有重要意义。

相关研究成果以Topological-cavity surface-emitting laser为题，在线发表在Nature Photonics上。

(资料参考来源：《自然—光子学》)

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