1月7日,記者從南開大學(xué)獲悉,該校物理科學(xué)學(xué)院張心正、陳志剛、許京軍教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合斯洛文尼亞斯特藩研究所研究團(tuán)隊(duì),研制出一種基于軟物質(zhì)材料的柔性拓?fù)浯怪鼻幻姘l(fā)射激光器(VCSEL)。相關(guān)成果發(fā)表于《光:科學(xué)與應(yīng)用》上。
隨著光信息技術(shù)發(fā)展,光子芯片對(duì)光學(xué)器件“小、輕、集成”的要求越來(lái)越高,片上激光器也因此備受關(guān)注。然而,現(xiàn)有片上激光器普遍面臨其剛性結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)柔性器件對(duì)靈活性需求的問(wèn)題。
張心正介紹,近年來(lái),研究人員嘗試借助拓?fù)湮锢碓韥?lái)提升激光器的穩(wěn)定性。“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就像為激光模式加了一層‘保護(hù)’,可以降低缺陷或擾動(dòng)帶來(lái)的影響?!彼f(shuō)。但在實(shí)際應(yīng)用中,大多數(shù)拓?fù)銿CSEL依賴半導(dǎo)體材料和精密復(fù)雜的制備工藝,制備成本相對(duì)較高,器件形態(tài)固定,且工作波段多集中在近紅外區(qū)域,限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。
為此,研究團(tuán)隊(duì)嘗試從材料和結(jié)構(gòu)入手,設(shè)計(jì)出一種“可以彎曲的拓?fù)浼す馄鳌?。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器不同,這種新型VCSEL的核心結(jié)構(gòu)由多層薄膜組成:涂覆熒光增益介質(zhì)的聚合膽甾相液晶薄膜,與常見的商用Mylar薄膜交替堆疊,形成一種一維光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)。通過(guò)精確控制各層薄膜的厚度和排列方式,研究團(tuán)隊(duì)在結(jié)構(gòu)中引入了空間反演對(duì)稱性的破缺,使其在物理機(jī)理上可類比二維體系中的量子谷霍爾效應(yīng),從而獲得受拓?fù)浔Wo(hù)的激光模式。
“這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)的直接優(yōu)勢(shì),是激光工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。”論文第一作者、南開大學(xué)博士后王鈺介紹,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該拓?fù)銿CSEL在較低泵浦功率下,依然能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的單模激光輸出。
更重要的是,這種激光器的制備過(guò)程不依賴復(fù)雜的微納加工工藝,整體結(jié)構(gòu)類似“貼膜”,可以直接集成到不同形狀的基底上。“即使多次彎曲,激光的性能和光束調(diào)控能力也不會(huì)受到明顯影響?!蓖踱曊f(shuō)。
這種“柔性”不僅體現(xiàn)在形態(tài)上,還帶來(lái)了新的光束調(diào)控方式。在泵浦激光方向保持不變的情況下,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)彎曲薄膜并調(diào)整泵浦位置,使激光從樣品的不同區(qū)域出射,光屏上的激光光斑隨之發(fā)生平移。進(jìn)一步改變薄膜的彎曲曲率,還可以調(diào)節(jié)激光的出射角度,實(shí)現(xiàn)無(wú)需整體旋轉(zhuǎn)器件的多角度出射。
此外,該拓?fù)銿CSEL還表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性,即使在長(zhǎng)時(shí)間泵浦條件下,仍能保持原有的激光性能。這些特性使柔性拓?fù)銿CSEL在可穿戴光子器件、柔性顯示、電子防偽以及激光掃描等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景,也為片上激光器的發(fā)展提供了一種新的思路。
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