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南开团队在软物质超晶格中首次实现可见光波段可调谐拓扑激射
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2023-04-20 17:29

  南开新闻网讯(通讯员 戴建芳)近年来,如何灵活有效地操控光成为发展以光子为载体的信息产业技术所关注的核心问题。拓扑物理的出现为光子学带来了新的自由度,开辟了拓扑光子学这一新兴研究领域。拓扑保护的边缘态为实现局域增强的光子模式提供了一个全新的途径,可以显著提高激光的输出性能,同时能够对加工误差导致的无序和某些类结构缺陷免疫。然而,这种特性也使拓扑激光波长难以灵活调节。另一方面,可见光波段的激光对显示、传感、加工、量子信息等领域有十分重要的意义,但受高空间分辨率加工技术的限制,目前大多数拓扑激光器的设计都基于微米级特征尺寸的光子学结构,其激光波长都在红外波段。制造高性能的可见波段拓扑激光器仍然是一个挑战,特别是在需要可调谐和可控偏振特性的情况下。于是,很自然的就会有这样的疑问:能否使用具有光子带隙的天然材料来实现低成本的可调谐拓扑激光器呢?

  近日,我校物理科学学院、泰达应用物理研究院的张心正、陈志刚、许京军教授领导的课题组,在拓扑激光领域的最新科研成果以“Tunable Topological Lasing of Circularly Polarized Light in a Soft-matter-based Superlattice”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上,他们设计了基于胆甾相液晶软物质和激光活性聚合物的超晶格,首次在可见波段实现了基于软物质超晶格的可调谐拓扑激光器。

  其中,聚合物条带基于SSH模型形成了周期在微米量级的一维结构,在拓扑平庸和非平庸结构拼接的界面上包含一个拓扑缺陷。当聚合物结构浸入到胆甾相液晶后,聚合物条带可视为其中的缺陷层,从而在胆甾相液晶的可见光子禁带中形成了微能带。这种超晶格的设计属于一维耦合阵列的类型。通过调整结构中的强弱耦合排布,可以操控所有微能带的拓扑性质,进而通过微能带反转实现拓扑相变,在所有的微能带带隙中均出现非平庸的拓扑界面态,为激射波长的调谐提供了可能。通过飞秒激光直写加工技术和课题组自主研发的面外液晶区域取向技术(已获得国家发明专利和国际发明专利的授权),可以低成本地制备掺杂荧光染料的聚合物-胆甾相液晶超晶格结构,在纳秒脉冲光泵浦下实现可见光波段,圆偏振的拓扑界面态激光,并证实了其激光阈值(0.4微焦)显著低于同一超晶格中拓扑平庸缺陷态激光的阈值。此外,演示了基于胆甾相液晶热光效应的激光波长的热调谐,并表明了拓扑激光波长对实验加工误差和手性扰动具有鲁棒性。这项工作为低成本实现可调谐、圆偏振、紧凑型集成拓扑光子器件提供了前景,并为探索软物质环境中光与物质相互作用的拓扑物理提供了理想的平台。

  

图1. 论文报道的基于聚合物胆甾相液晶超晶格实现可调谐拓扑激射的示意图

  本工作以南开大学为第一完成单位,南开大学博士研究生王钰、杨东浩和太原理工大学访问学者高少华为共同第一作者,合作者还包括卢布尔雅那大学Irena Drevensek-Olenik教授、南开大学吴强教授以及外籍博士后Marouen Chemingui。此外,张心正教授和Irena Drevensek-Olenik教授长期合作,2020年获批了天津市“一带一路”联合研究实验室(研究中心)——“南开大学液晶光子学中斯联合研究中心”。相关工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。

  论文链接:https://doi.org/10.1002/lpor.202200643

编辑:韦承金

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