在全球激光技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，北京量子信息科學(xué)研究院與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所攜手，于高性能電泵浦拓?fù)浼す馄鞯难邪l(fā)中取得了重大進(jìn)展。這項(xiàng)突破性研究不僅成功解決了太赫茲電泵浦拓?fù)浼す馄鞴β侍嵘碾y題，還為新型光電集成芯片的未來(lái)光源探索開(kāi)辟了新的路徑。

相關(guān)成果已發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》上，題為“基于表面金屬狄拉克渦旋腔的高功率電泵浦太赫茲拓?fù)浼す馄?/span>”。

科研創(chuàng)新，跨越技術(shù)瓶頸

拓?fù)浼す馄饕蚱洫?dú)特的魯棒性——即激光模式能在不穩(wěn)定的環(huán)境下維持穩(wěn)定輸出，被視為下一代光電芯片的核心組件。然而，盡管電泵浦拓?fù)浼す馄饕蚱鋵?shí)用性強(qiáng)而備受矚目，低輸出功率一直是制約其商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。此次，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了表面金屬狄拉克拓?fù)淝唬?/span>SMDC），這一創(chuàng)新不僅增強(qiáng)了激光模式的穩(wěn)定性，還顯著提高了激光器的輸出功率至150毫瓦，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)的飛躍，與國(guó)際同類最佳結(jié)果比肩。

技術(shù)亮點(diǎn)：強(qiáng)耦合與高效率并舉

SMDC設(shè)計(jì)巧妙地利用了與有源區(qū)間的強(qiáng)耦合效應(yīng)，無(wú)需刻蝕有源區(qū)即可在較弱的折射率差下穩(wěn)定工作，證明了拓?fù)鋷чg模式的高效運(yùn)作。這種設(shè)計(jì)不僅保留了有源區(qū)的增益特性，還憑借極高的面輻射效率，使激光器實(shí)現(xiàn)了前所未有的功率輸出。此外，該器件產(chǎn)生的渦旋偏振遠(yuǎn)場(chǎng)，為片上渦旋偏振光源的應(yīng)用提供了新視角，并展示了通過(guò)相位調(diào)制調(diào)控遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)稱性的潛力。

科研成果，面向未來(lái)

此次研發(fā)的高性能電泵浦拓?fù)浼す馄鳎粌H在功率輸出上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，其獨(dú)特的渦旋偏振特性也為未來(lái)光通信、生物成像、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該研究成果的取得，得益于國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的大力支持，展現(xiàn)了我國(guó)在激光技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)不斷的科研投入和創(chuàng)新能力。

此次突破標(biāo)志著我國(guó)在高性能激光技術(shù)領(lǐng)域的研究邁上了新的臺(tái)階，為光電集成技術(shù)的未來(lái)發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。隨著研究的進(jìn)一步深化，電泵浦拓?fù)浼す馄饔型铀龠M(jìn)入實(shí)用化階段，開(kāi)啟光電技術(shù)應(yīng)用的新紀(jì)元。

擴(kuò)展閱讀：

拓?fù)浼す馄魇且环N基于拓?fù)湮锢韺W(xué)原理設(shè)計(jì)的新型激光器，它利用了拓?fù)鋵W(xué)中特有的保護(hù)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模激光輸出。在傳統(tǒng)激光器中，激光的產(chǎn)生依賴于光學(xué)諧振腔的設(shè)計(jì)，這些諧振腔通常對(duì)缺陷非常敏感，任何微小的結(jié)構(gòu)變化或不完美都可能導(dǎo)致激光性能的大幅下降。而拓?fù)浼す馄鲃t通過(guò)引入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能在一定程度上克服這些問(wèn)題。

工作原理

拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制：拓?fù)浼す獾暮诵脑谟谄涔庾泳w結(jié)構(gòu)中存在特殊的拓?fù)溥吘墤B(tài)或界面態(tài)。這些狀態(tài)是由整個(gè)材料的拓?fù)湫再|(zhì)決定的，而非局部細(xì)節(jié)，因此對(duì)缺陷有很高的容忍度。即使材料表面有劃痕或者結(jié)構(gòu)有微小的變化，這些邊緣態(tài)仍然能夠保持穩(wěn)定，繼續(xù)引導(dǎo)光線并維持激光的單模操作。

光子能帶結(jié)構(gòu)：在拓?fù)浼す馄髦校ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)特定的光子晶體結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)具有非平凡拓?fù)涮匦缘墓庾幽軒ЫY(jié)構(gòu)。在這樣的能帶結(jié)構(gòu)中，存在著被稱為“拓?fù)溥吘壞?/span>”的特殊能態(tài)，它們只存在于結(jié)構(gòu)的邊緣或界面，并且由于拓?fù)浔Ｗo(hù)而不易受到干擾。

電泵浦技術(shù)：為了實(shí)現(xiàn)更實(shí)用化，研究者致力于發(fā)展電泵浦拓?fù)浼す馄?，即通過(guò)電流直接激發(fā)激光介質(zhì)來(lái)產(chǎn)生激光，而非傳統(tǒng)的光學(xué)泵浦。這使得激光器更加緊湊、高效，并且容易與其他電子設(shè)備集成。

性能優(yōu)勢(shì)

魯棒性：由于拓?fù)浔Ｗo(hù)，激光器對(duì)環(huán)境變化和制造誤差有極高的抵抗能力，保證了穩(wěn)定的激光輸出。

單模操作：有利于獲得高質(zhì)量的激光束，對(duì)于需要精確控制光束特性的應(yīng)用至關(guān)重要。

集成潛力：體積小、易于與其他光電器件集成，適合用于未來(lái)的光電集成芯片。

低閾值與高效率：某些設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)低啟動(dòng)閾值和高轉(zhuǎn)換效率，減少能耗，提升性能。

應(yīng)用前景

拓?fù)浼す馄饕蚱洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)，被廣泛視為下一代光電子技術(shù)的關(guān)鍵組件，有望在數(shù)據(jù)通信、傳感、精密測(cè)量、量子計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。特別是隨著光電集成技術(shù)的發(fā)展，拓?fù)浼す馄髯鳛槔硐牍庠矗赡芤I(lǐng)新一代集成光子回路和芯片級(jí)光子器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

目前，盡管電泵浦拓?fù)浼す馄鞯难芯咳〉昧诉M(jìn)展，但要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，還需解決輸出功率低等技術(shù)挑戰(zhàn)。研究人員正積極開(kāi)發(fā)新技術(shù)和設(shè)計(jì)方案，以進(jìn)一步提升其性能。