科学家研发出第一台电动“拓扑”激光器

实验室中的电动拓扑激光原型机的长度只有4mm。一个新加坡5美分硬币放在其上方以进行尺寸比较。图片来源：新加坡南洋理工大学

    来自新加坡南洋理工大学和英国利兹大学的科学家和工程师们创造了第一台电动拓扑激光器，它具有将光粒子绕过转角并解决设备制造过程中的缺陷的能力。

    电动半导体激光器是当今最常见的激光器。可用于条形码读取器和激光打印机等产品，用于光纤通信及新兴应用中，例如用于自动驾驶汽车的激光测距传感器。

    然而，激光器的制造是一个精密的过程，如果在制造过程中激光结构中有任何缺陷，那么激光器就不能很好地工作。

    《自然》杂志报道了新加坡和英国的科研人员利用先进技术克服了这一长期存在的问题，并有望利用现有的半导体技术提高生产效率，减少浪费。这是通过利用理论物理学中称为拓扑状态的概念来制造拓扑激光器来实现的。

    在二十世纪八十年代，科学家发现在某些材料中流动的电子具有拓扑特征，这意味着它们可以绕过拐角或缺陷流动，而不会发生散射或泄漏。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位率先研究此类电子拓扑状态的理论物理学家。

    现在，来自新加坡南洋理工大学的工程师和物理学家组成的跨学科团队与利兹大学的材料科学家合作，将这种拓扑方法应用于光粒子即光子。

    新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的首席科学家王奇杰教授说：“每一批制造的激光装置都有一部分由于制造和包装过程中引入的缺陷而不能发出激光”。“这是我们探索光的拓扑状态的动机之一，光的拓扑状态比普通的光波要坚固得多。”

    在这个研究中，研究人员使用一种基于利兹大学开发的先进半导体晶片的称为量子级联激光器的电动激光器。

    这项研究的资深作者，利兹大学工程与物理科学学院研究与创新副院长Giles Davies FREng教授说：“拓扑激光器应用于实际电子器件是一个很好的例子和令人着迷的基本科学现象。正如我们的研究所表明的，它有可能改善激光系统的性能。”

从左起依次为新加坡南阳理工大学科学家张百乐副教授，王启杰教授，崇义东副教授和曾永全博士与英国利兹大学的合作者一起开发了第一台电动拓扑激光器。
图片来源：新加坡南洋理工大学

    为了在激光平台上实现拓扑状态，南洋理工大学和英国利兹大学团队开发了一种包含山谷光子晶体的新设计，该设计的灵感来自被称为二维山谷电子绝缘子的电子拓扑材料。

    该设计由布置在三角形晶格中的六边形孔组成，并蚀刻到半导体晶圆中，使其极为紧凑。

    在微结构内，光的拓扑状态在周长为1.2mm的三角形环内循环，充当光学谐振器，以累积形成激光束所需的光能。

    “光在这个循环中循环，包括绕着三角形的尖角循环，这是由于拓扑状态的特殊性，”新加坡南洋理工大学理论物理学家，该项目的联合首席研究员崇义东副教授说：“普通的光波会被尖角打乱，阻碍光波顺利循环。”

    研究人员指出，新型拓扑量子级联激光器的一个有趣的功能是它发出的光的频率为太赫兹频率，介于电磁频谱的微波和红外区域之间。太赫兹光已被确定为主要领域之一，该技术未来可能在传感、照明和无线通信中应用。

    该研究项目历时两年，由12名研究人员组成的跨学科团队参与。 团队成员还包括南洋理工大学物理学家：张百乐副教授，博士后研究员，论文的第一作者曾永泉博士； 以及太赫兹电子学教授Edmund Linfield教授和利兹大学高级研究员Lianhe Li博士。

    展望：联合团队正在研究利用其他类型拓扑状态的激光器。

    王教授说：“我们在这个项目中使用的设计被称为山谷光子晶体，它不是创造拓扑状态的唯一方法”。“存在许多不同类型的拓扑状态，可以针对不同类型的缺陷提供保护。我们认为，可以根据不同设备和应用的需求进行定制设计。”

    2018年，以色列理工学院和美国中佛罗里达大学的一个团队开发了一种拓扑激光器，由一系列相连的光学谐振器制成。研究人员表明，光的拓扑状态可以有效地绕过激光阵列的拐角和缺陷。然而，这种原型激光器的缺点是比大多数半导体激光器要大得多，而且是由光驱动的，这意味着它是由另一种激光器驱动的。