圖1. 在單一結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)單模激光的示意圖以及外部模式破缺模式調(diào)控

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所先進(jìn)激光與光電功能材料部紅外材料研究中心張龍研究員、董紅星研究員團(tuán)隊聯(lián)合湖南大學(xué)以及南京航空航天大學(xué)的研究人員在激光模式調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。通過一種創(chuàng)新的方法——選擇性模式結(jié)構(gòu)破缺(mode structure breaking)，研究團(tuán)隊成功在單個激光腔中實現(xiàn)了高性能單模激光輸出。相關(guān)研究成果以“Single-Mode Lasing by Selective Mode Structure Breaking”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。

單模激光因其卓越的單色性、強(qiáng)相干性和高亮度，在多個領(lǐng)域需求日益增長。然而，由于微腔中多個接近的共振模式之間的競爭，實現(xiàn)單模激光一直是一個挑戰(zhàn)。本項研究中，研究人員通過引入選擇性空間結(jié)構(gòu)破缺，有效地破壞了競爭模式的模式結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)在單一結(jié)構(gòu)中不引入巨大損耗情況下的模式選擇。

作為概念驗證，研究人員采用精細(xì)加工技術(shù)在微盤腔上引入外圍角光柵破缺結(jié)構(gòu)，有效地消除了不匹配的競爭模式，實現(xiàn)了單模激光輸出。進(jìn)一步通過引入挖孔來抑制剩余的高階激光模式，優(yōu)化了激光特性。值得注意的是，所制造的激光光源，被稱為模式結(jié)構(gòu)破壞激光器，展示了卓越的單模激光特性，包括穩(wěn)定性、超低閾值(約2.31 μJ/cm2)和窄線寬(約0.15 nm)。相關(guān)研究為超低閾值、可調(diào)諧單模激光器的發(fā)展提供了新的途徑，同時對在光子集成電路中構(gòu)建片上激光陣列尤為重要。

圖2. 方位角模式結(jié)構(gòu)破缺模式調(diào)控

圖3. 內(nèi)部模式結(jié)構(gòu)破缺模式調(diào)控

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)面上基金、國家自然科學(xué)青年基金、上海市學(xué)術(shù)帶頭人項目以及上海市東方英才領(lǐng)軍計劃等項目的支持。

審核編輯 黃宇