近日，北京大學物理學院馬仁敏研究員課題組實驗發現了拓撲能帶反轉光場限制效應，將拓撲態的利用由拓撲邊緣態擴展至拓撲體態，並基於此實現了一種高性能的拓撲體態雷射器。這種新型雷射器具有垂直出射、高方向性、小體積、低閾值、窄線寬、單橫模、單縱模和高邊模抑制比等優異特性。相關工作被Nature Nanotechnology雜誌以標題「A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection」進行長文報導。
雷射器的發明加深了人們對光與物質相互作用的認識，並對現代科學與技術的發展起到了巨大的推動作用。至雷射器發明以來，雷射微型化始終是一個重要的研究方向。半導體雷射器因為易於電泵浦和規模生產與集成等優點，是雷射微型化的首要選擇。經過幾十年的發展，半導體雷射器的微型化已經取得了巨大的成就。尤其是具有垂直出射特性的垂直腔面發射雷射器（VCSEL），目前已有數以百億計的該型雷射器被廣泛應用於數據通訊、雷射雷達、人臉識別、數據存儲與醫療手術等領域。
圖1：拓撲體態雷射器原理和示意圖。(a) 用於構造能帶反轉的拓撲態和拓撲平庸態光子晶體示意圖。(b) 實驗中發現能帶反轉可用來實現光場的反射和限制。(c) 垂直發射拓撲體態雷射器示意圖。拓撲體態雷射器出射方向垂直於光學腔反饋平面
馬仁敏研究員與合作者提出並實現了一種新型垂直發射雷射器—拓撲體態雷射器。這種新型雷射器直徑只有數微米，具有良好的垂直發射方向性，窄線寬，單橫模、單縱模，能夠在室溫下以千瓦每平方釐米閾值穩定工作，單模輸出邊模抑制比超過36dB。這些性能與商業化雷射二極體相當，根據IEEE以及相關工業標準，指標滿足多數應用領域需求。
該類雷射器的實現有賴於實驗中發現的一種新型光反射和限制機制能帶反轉光場限制效應。圖1給出了能帶反轉光場限制效應和基於其實現拓撲體態雷射器的原理和示意圖：實驗中首先通過對二維光子晶體進行變形操作，分別獲得了具有拓撲態和拓撲平庸態的能帶結構；相較於拓撲平庸態，拓撲態的光子晶體能帶結構中發生偶極子和四極子能帶間的能量反轉；實驗和理論計算發現頻率靠近能帶邊緣的光場雖然在拓撲態和拓撲平庸態中都可以自由傳播，但是在兩者的界面處會發生能帶反轉引起的光場發射；該能帶反轉引起的光場反射和限制效應僅發生在布裡淵區中心附近，越靠近布裡淵區中心，光場反射和限制越有效，使得利用該類型反射機制構建的拓撲體態雷射器具有單橫模、單縱模、面內反饋、垂直出射等優異特性。
圖2：拓撲體態雷射器件與性能。(a-b) 拓撲體態雷射器諧振腔（a）和拓撲界面處（b）的電鏡圖。（c）隨功率變化的光譜。（d）激射光譜。（e）激射實空間近場分布。（f）激射角分辨遠場分布
能帶反轉光場反射和限制效應為雷射物理提供了一種新穎的雷射模式選擇和出射光場調控機制。基於該原理構建的新型拓撲雷射器各項性能均達到了可商業化應用的水平（圖2）。新的光場反射和限制機制將拓撲態的利用由拓撲邊緣態擴展至拓撲體態，同時該原理可以拓展到電子學、聲學和聲子學等領域。
該工作發表於Nature Nanotechnology（DOI: 10.1038/s41565-019-0584-x），馬仁敏為論文通訊作者，北京大學博士後邵增凱、博士生陳華洲和王所為共同第一作者，其他作者包括北京大學博士生冒芯蕊、楊振乾、訪問學生王少雷，以及日本國立材料研究所教授胡曉、學生王星翔。這項工作得到國家自然科學基金委、科技部、北京市自然科學基金、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心等的支持。