南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学物理科学学院张心正教授、陈志刚教授和许京军教授团队与斯洛文尼亚斯特藩研究所Irena Drevenšek Olenik教授合作，首次展示了具有高激光转换效率的圆偏振柔性拓扑垂直腔面发射激光器（VCSEL）。相关研究成果以 “Soft-Matter-Based Topological Vertical Cavity Surface Emitting Lasers” （基于软物质的垂直腔面发射拓扑激光器）为题发表于Light: Science & Applications，并被选为第二期封面论文。
这种拓扑 VCSEL 基于由旋涂有荧光增益介质的聚合胆甾相液晶（PCLC）薄膜和商用Mylar膜堆叠而成的一维光学超晶格结构。该超晶格具有调制的在位势能，打破了反演对称性，这可以与二维合成参数空间中的Semenov绝缘体以及量子谷霍尔效应相类比。他们证明了这种拓扑 VCSEL 在低泵浦功率下可以保持出色的单模激光出射。值得一提的是，这一薄膜拓扑 VCSEL具有极低的生产成本，无需复杂的加工技术，可以轻松集成到任何形状的基底上，并且在经历多次弯曲后仍能保持所需的激光特性和光束转向能力。
随着光信息技术的不断进步和光子芯片对光学器件小型化、轻质化和集成化需求的日益增长，片上激光器的发展越来越受到人们的关注。然而，当前片上激光器仍存在一些重要问题，包括输出功率低和稳定性差。受拓扑保护的激光器提供了一种有效的设计来实现高稳定性和低阈值的片上激光。然而，受限于半导体材料，目前绝大多数拓扑VCSEL的制造通常需要使用复杂而精准的制备工艺，其激光波长主要在近红外波段，且具有固定的形状，无法实现激光光束的平移转向。因此，利用软物质材料和新原理低成本地开发具有机械柔性、偏振特性且轻量化的片上拓扑VCSEL将具有十分重要的理论意义和应用价值。
在研究过程中，研究人员首先通过选用两种不同厚度的Mylar膜与PCLC薄膜堆叠形成打破空间反演对称性的一维二元光学超晶格结构，引入耦合系数调制构建合成参数空间，类比二维六角晶格中的量子谷霍尔效应，阐明异位点势的AB与BA超晶格拓扑性质的差异。进而将具有不同拓扑性质的一维等耦合异位点势的AB与BA超晶格拼接，产生了拓扑保护的界面态。这一界面态在能带隙中高度局域化，且对结构无序具有一定鲁棒性，为激光振荡提供了理想的光学腔模式。实验上，团队通过旋涂增益染料PM597于PCLC薄膜表面，制备出具有17层薄膜的柔性激光器件。在532 nm脉冲激光泵浦下，该器件在575.4 nm波长处实现了左旋圆偏振的拓扑激光输出，阈值低至0.47 μJ （1.5 MW∙cm-2），斜率效率达4.0%。激光光束具有良好的方向性，且其空间分布与泵浦光斑形状高度一致，显示出其在图像传输与显示方面的应用潜力。进一步，研究人员固定泵浦激光方向，将薄膜弯曲并自下而上移动，使泵浦光分别照射到样品的五个不同区域（Ⅰ-Ⅴ），出射激光也会随之在光屏上自下而上移动。调节VCSEL薄膜的曲率半径可以进一步控制光束的转向度。这一特性意味着拓扑VCSEL可以在不旋转激光器件的情况下在多个角度出射激光。值得注意的是，拓扑VCSEL是热稳定的，即使经过很长一段时间的泵浦，也能保持其原始的激光性能。这些特性可以使其与众多可穿戴光子器件集成，实现可穿戴显示，电子防伪、激光扫描等应用。
一维柔性光学超晶格的基本构造原理和合成参数空间
柔性拓扑VCSEL的应用演示
本工作以南开大学为第一完成单位，南开大学博士后王钰、夏士齐教授为本文的共同第一作者，张心正教授、陈志刚教授和许京军教授为本文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市自然科学基金重点项目、中国博士后科学基金以及斯洛文尼亚研究机构研究项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-02011-9
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