據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由浙江大學、中國科學技術(shù)大學、新加坡南洋理工大學的研究人員組成的團隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Perovskite quantum dot one-dimensional topological laser”的論文，提出了一種基于兩個具有不同Zak相的一維光子晶體之間的界面態(tài)的拓撲腔設(shè)計。利用一些單分子層的溶液法制備的全無機銫鉛鹵化物鈣鈦礦量子點作為超薄增益介質(zhì)，研究團隊演示了一種無需光刻、垂直發(fā)射、低閾值和單模的綠色激光器，為在整個可見光譜中工作的高效拓撲激光器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

拓撲光子學的概念以光學色散帶中光子波函數(shù)的全局拓撲不變量為特征，近年來，研究人員利用這一概念設(shè)計了一些對制造缺陷具有魯棒性的光學腔，并開發(fā)出在紅外波段工作的拓撲微/納米激光器。

這些激光器的腔體設(shè)計依賴于不同拓撲相位的光子結(jié)構(gòu)界面處的邊界態(tài)（例如，邊緣或角態(tài)）的激發(fā)。界面兩側(cè)的拓撲不變量的差異定義了邊界態(tài)，而所謂的體邊對應關(guān)系提供了它們的拓撲保護。

典型的基于半導體諧振器的一維或二維陣列的邊/角發(fā)射拓撲激光器方向性較差，難以外耦合，并且由于其設(shè)計的復雜性只能在紅外波段工作。最近，基于拓撲體帶隙和拓撲垂直腔激光器陣列的拓撲激光器解決了方向性和外耦合問題，但在設(shè)計復雜性和短發(fā)射波長的獲取方面尚未得到改善。

基于此，該論文提出了一種基于兩個具有不同Zak相的一維光子晶體之間的界面態(tài)的拓撲腔設(shè)計。利用一些單分子層的溶液法制備的全無機銫鉛鹵化物鈣鈦礦量子點作為超薄增益介質(zhì)，研究團隊演示了一種無需光刻、垂直發(fā)射、低閾值和單模的綠色激光器。得益于提出的拓撲腔設(shè)計，具有超薄增益介質(zhì)（<50?nm）的微型激光器產(chǎn)生了低激光閾值（6.8 μJ/cm2）的單模發(fā)射，并且對多層結(jié)構(gòu)的局部擾動具有魯棒性。通過改變增益介質(zhì)的厚度，激光發(fā)射可以在增益譜范圍內(nèi)（從λ?=?532至519? nm）被連續(xù)調(diào)諧。這特別適用于量子點激光器的開發(fā)，因為它能夠克服厚量子點薄膜中存在的均勻性差、聚集和發(fā)光猝滅等問題。此外，這種微型激光器設(shè)計也可能有助于電泵浦VCSEL的實現(xiàn)，其厚增益介質(zhì)的電導率通常受到載流子擴散長度的限制。

圖1a所示的平面拓撲腔由兩個沿z方向具有反轉(zhuǎn)對稱性的半無限一維二元光子晶體（PC1和PC2）之間的界面構(gòu)成。PC由交替的低折射率（LI，厚度為d?）和高折射率（HI，厚度為d?）層構(gòu)成，中間分別是PC1和PC2的反轉(zhuǎn)中心。

為了使腔體厚度最小化，拓撲腔被設(shè)計為在TiO?/SiO?多層的第一光學帶隙內(nèi)工作，其nHI?=?2.3，nLI?=?1.5，d? =?62? nm，d??=?70? nm。雖然PC1和PC2具有相同的體光帶隙，但由于LI和HI在其反轉(zhuǎn)中心的位置不同，它們在最低帶隙攜帶不同的Zak相位（圖1b）。

一維拓撲腔由兩個包含10個晶胞的半腔構(gòu)成，預計將在515 nm附近、第一光學帶隙的中心顯示出高質(zhì)量的界面態(tài)（Q > 5000），如圖1c所示的計算的透射光譜所預測的那樣。電場被限制在兩個PC的界面處，在PC1的第一HI層內(nèi)部具有一個不對稱的分布峰值（圖1d）。

圖1 一維拓撲微腔的設(shè)計原理

根據(jù)計算得到的透射光譜，當界面附近的HI層厚度在?10 nm≤ δ ≤10?nm變化時，平凡態(tài)和拓撲態(tài)都會出現(xiàn)光譜偏移?（圖2a，b）。然而，1D平凡腔中的場分布發(fā)生了顯著變化，而拓撲狀態(tài)仍然被限制在第一晶格內(nèi)（圖2c，d）。此外，與拓撲態(tài)相比，平凡Tamm態(tài)的總體場強會有較大變化和降低。

圖2 一維拓撲微腔的魯棒性

在實驗中，研究人員首先通過測量由TiO?（n~2.3）和SiO?（n~1.5）交替層制成的微腔的透射率驗證了拓撲界面態(tài)的存在，如圖3a所示。測量的透射光譜（圖3b）與計算的透射光譜很好地吻合，在λ=?507.3 nm處的光學帶隙內(nèi)出現(xiàn)了一個高質(zhì)量因子（Q~2000）的界面態(tài)?。

圖3 拓撲微腔與增益介質(zhì)

在λ?=?400?nm倍頻fs激光泵浦下，其中脈沖持續(xù)時間為100 fs，重復頻率為1 kHz，脈沖能量在~30 ~ 300 pJ范圍內(nèi)，研究人員對完整激光結(jié)構(gòu)的性能進行了表征，結(jié)果如圖4所示。

圖4 一維拓撲微型激光器在室溫下的性能

當把計算出的拓撲腔的透射光譜作為第一HI層厚度d的函數(shù)時（圖5a），研究人員發(fā)現(xiàn)界面態(tài)存在于光帶隙內(nèi)，并阻止波長偏移。利用場約束對局部擾動的高抗干擾性，通過選擇增益介質(zhì)厚度連續(xù)變化的樣品的不同區(qū)域，研究人員實現(xiàn)了穩(wěn)定的激光波長調(diào)諧。如圖5b所示，實驗結(jié)果證實了拓撲激光器在微型激光器的不同區(qū)域被激發(fā)時保持單模工作（從λ=532到519 nm），對應于增益介質(zhì)厚度的7 nm變化。

圖5 可調(diào)諧拓撲界面態(tài)微腔激光器

綜上所述，利用具有優(yōu)異的光學性能（較大的光學吸收截面和激子結(jié)合能、較高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率、極低的ASE閾值）和化學通用性（簡便的溶液處理、可控的薄膜厚度和形態(tài)、波長可調(diào)諧到藍色光譜區(qū)域）的CsPbBr?鈣鈦礦量子點，本文演示了一種無需光刻、單模輸出綠光的拓撲激光器。由于其簡單且低成本的架構(gòu)、顯著降低的增益介質(zhì)厚度以及膠體鈣鈦礦量子點的通用性，這項研究工作為在整個可見光譜中工作的高效拓撲激光器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清