宇称-时间对称激光器件物理及应用

Non-Hermitian systems enrich a lot of interesting physics, such as a parity-time (PT) symmetric Hamiltonian with real eigenvalues, and exceptional points with degenerated eigenvalues and eigenvectors. The applicant aims to study PT synthetic lasers by numerical and analytical simulations and fabricate the device through microfabrication. The high spatial and temporal resolution optical characterization tools will be used to study the PT synthetic lasers. We will push the PT synthetic lasers to some real applications, such as optical communications and biochemical sensing. We aim to solve several key physical problems in PT synthetic laser physics and technology, including: (1) designing and fabricating PT synthetic lasers with low threshold and controllable PT phase transition point; (2) understanding how the materials and device structure affect the performance of PT synthetic lasers; (3) understanding how the nonlinear lasing process and a coupled waveguide affect the performance of PT synthetic lasers; (4) demonstrating high performance PT synthetic laser sensor. Through the above efforts, we will obtain a well understanding on the physical mechanism of the device performance and the corresponding control method, which will push the PT synthetic laser to some real applications.

非厄密系统包含着丰富的物理现象，比如空间反演和时间反演（PT）共同作用下不变的非厄密哈密顿量可以有实的本征值；存在本征值和本征矢量同时简并的奇异点等。本项目根据当前国际上非厄密系统光学和微纳激光研究的发展趋势，以发展激光器件中的PT调控原理、方法和应用为主要目标，以高空间和时间分辨率的光学表征系统为主要实验手段，开展PT激光器件物理与应用研究。所申请项目致力PT激光器件相关的关键物理问题的研究和解决，主要包括：(1)设计并制备出具有低阈值、PT对称相变点可控的激光器件结构；(2)获得材料和器件结构参数等对PT对称激光器件性能的作用规律；(3)揭示激光中的非线性过程以及输出耦合波导对PT对称激光器件性能的作用规律；(4)获得高探测灵敏度的PT对称激光探测器。通过上述工作，基本理解和掌握影响PT激光器件性能的物理机制和调控方法，为改善PT激光器件性能及可靠性提供物理依据，并推动其实用化进程。

本项目根据当前国际上非厄密系统光学和微纳激光研究的发展趋势，开展了宇称-时间对称、等离激元、拓扑等非厄密系统激光物理和器件的研究，取得了重要成果。以下对项目资助下完成的5项代表性研究成果做简要概述。.1..利用宇称-时间对称体系中的光学奇异点, 提出了一种拓扑阶数可控涡旋微腔激光器。论文以封面文章的形式发表于Chinese Physics B （25, 124211, 2016）.该工作是国际上最早提出涡旋微腔激光器的两个工作之一。另一工作为美国SUNY Buffalo大学同年发表于Science的工作（353， 464, 2016）。.2..通过系统的理论和实验研究，证明了等离激元效应可以提高激光器性能，解决了金属能否提高激光器性能这一纳米光学领域长期悬而未决的问题，为激光的进一步微型化，实现更低功耗、更快速度的纳米激光扫清了障碍。工作发表于Nature Communications（8, 1889, 2017)，入选了“2018中国光学十大进展”， 并被Nature Materials以News & Views 形式专题报导。.3..发展出了等离激元纳米激光漏辐射显微成像方法，揭示其辐射场可以全部为金属中自由电子振荡形成的表面等离激元形式，确认了纳米激光器与常规激光器本质区别，为对纳米激光器进行进一步操控和应用奠定了基础。工作发表于Science Advances（3, e1601962, 2017）。.4..实验发现了拓扑能带反转光场限制效应，将拓扑态的利用由拓扑边缘态扩展至拓扑体态，并基于此实现了一种高性能的拓扑体态激光器。器件性能与商业化激光二极管相当，根据IEEE以及相关工业标准，指标满足数据通讯与消费电子等应用领域需求。工作发表于Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-019-0584-x, 2019。.5..应国际著名期刊Nature Nanotechnology邀请撰写纳米激光综述文章。这篇综述系统阐述了纳米激光器基本物理；总结了纳米激光器在芯片上光电互联、高灵敏物质检测、生物标记与探针、新型光束产生与调控等领域的应用进展与挑战。工作发表于Nature Nanotechnology（14, 12–22, 2019）。