基于连续态中的拓扑局域态激光器的基础理论及技术

Bound states in the continuum (BIC) enrich a lot of interesting physics, such as the infinite quality factor of a BIC mode, the property that the existence of the BIC mode is topologically protected and so on. In line with the trend in researches of BIC topological physics and micro and nano lasers, this applicant aims to study BIC synthetic lasers by theoretical analysis and numerical simulations, and design off the center of Brillouin zone BIC laser and fabricate the device through microfabrication, and reveal the relationship between the device’s structure and performance. We aim to solve several key physical problems in BIC synthetic laser physics and technology, including: (1) using BIC off the center of the Brillouin zone to realize a new type of laser device in photonic crystal; (2) making use of symmetry of system to realize the BIC synthetic laser with multiple outgoing beams in different directions; (3) realizing the BIC synthetic laser with output direction control. Based on the aforementioned efforts, we aim to realize a new type of laser which has multiple outgoing beams in different directions with output direction control, and develop a new type of beam steering technology.

连续态中的束缚态（BIC）包含着丰富的物理现象，比如：BIC模式的品质因子趋于无穷；光子晶体中的BIC模式的存在具有拓扑保护的稳定性等。本项目根据当前国际上BIC拓扑物理和微纳激光研究的发展趋势，以发展基于BIC模式的激光器件与物理为目标，通过理论技术和数值模拟设计新型基于光子晶体中非布里渊区中心点BIC模式的激光器；通过微纳加工的手段制备该型激光器并研究其器件物理，揭示器件结构与器件性能的内在关。所申请项目致力于解决BIC激光器相关关键物理问题，包括：1）利用光子晶体中的非布里渊区中心点处的BIC模式实现新型激光器；2）利用体系对称性实现多方向同时出射的激光器；3）实现出射方向可直接调控的激光器。通过上述工作实现一类新型具有多束出射激光并可调谐的激光器，发展一类新型的波束扫描技术。

微纳激光是数据通讯和片上光电集成的核心光源，是当前光物理、激光物理和信息技术的研究前沿。本项目主要研究新型拓扑局域态激光器和相关微纳激光物理与器件，取得了系列创新成果。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..发现了能带反转光场反射新机制，实现了高性能拓扑体态激光器.光反射是构建和操控光场的基础。我们实验发现了基于拓扑能带反转的光反射机制，并基于此实现了一种高性能的拓扑体态激光器【Nature Nanotechnology 15, 67–72, 2020】。相关工作发表在Nature Nanotechnology，入选ESI高被引论文。.2..在非厄密光学奇异点发现了约当矢量光辐射新机理.首次发现了光学奇异点的异常光辐射机制，观察到辐射源可以完全不激发体系唯一存在的本征态，打破了辐射源和辐射环境共同决定辐射场这一传统观点【Nature Physics 16, 571-578, 2020】。该工作获得了第49届Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics (PQE)最佳摘要奖，相关论文入选了2021年“中国百篇最具影响国际学术论文”。.3..实现了高性能钠基等离激元纳米激光器.首次制备出了高质量的金属钠-InGaAsP量子阱复合微结构并实现了近红外通讯波段纳米激光室温激射，创造了通讯波段同类纳米激光器阈值新低【Nature 581, 401-405 (2020)】。相关工作入选2020中国半导体研究十大进展和2020中国光学十大进展。.4..实现了基于模式耦合光场局域化机制的魔角激光器. 在无缺陷的周期性结构中基于模式耦合光场局域化机制实现了魔角激光器【Nature Nanotechnology 16, 1099–1105 (2021)】。Nature Nanotechnology同期的“新闻与视角”栏目配发了评论文章，认为魔角激光器的设计概念具有高度创新性，同时展现出优异性能。.5..发现自旋-动量锁定边界态外辐射新特性，实现高性能拓扑涡旋激光器.利用自旋动量锁定的拓扑边界态实现了高性能拓扑涡旋激光器，并发现了近场的拓扑模式信息与远场激光光场信息存在一一对应关系【Physical Review Letters 125, 013903 (2020), 被选为编辑推荐论文和封面论文】。