基于双曲超材料的宽谱激光振荡及工作原理研究

The operation wavelength is one of the key parameters for a laser. The existing lasers are mostly based on resonant structures to provide optical feedback for lasing so that they only operate at a very narrow wavelength band. It has been shown that hyperbolic metamaterials could provide an extremely high density of optical states at a broad wavelength range. Based on this unique property, we propose to employ an individual hyperbolic metamaterial with broadband Purcell enhancement as a single optical cavity to achieve lasing at a broad wavelength range, given that various optical gain media are supplied. Recently, hyperbolic metamaterials have been experimentally used to obtain lasing. However, there are several important issues that have to be solved for further development. For instance, hyperbolic metamaterials are easily damaged by high-energy pumping pulses, and the lasing mechanism is still unclear. In this proposal, we plan to combine key aspects of material selection, structural design, spectroscopic characterizations, and numerical simulations, to figure out the above issues so as to achieve lasing at a broad wavelength range. This proposal helps to clarify important fundamental issues in the area of hyperbolic metamaterials, and open new avenues in the design of broadband optical amplifiers.

工作波长是激光的关键参数之一，已有的微纳激光谐振腔大都基于精心设计的共振结构，因此只能工作在特定的光谱窄带上而难以实现宽谱激光。研究表明，双曲超材料可在宽谱范围内提供极高的光子态密度。根据这一特性，我们提出利用双曲超材料作为光学谐振腔，通过其宽谱Purcell增强效应，结合不同增益介质在单一谐振腔上实现宽谱激光振荡。最近，基于双曲超材料谐振腔的初步光放大结果见于报道，但是存在材料易损伤和机理不详等诸多问题。我们拟通过结合材料选择，结构设计，光谱表征和数值仿真等手段，解决双曲超材料放大器中存在的难题和阐明基础机理，在宽谱光谱范围内实现光放大和激光振荡。本研究有助于阐明光学活性超材料研究领域中的若干难题，并为开发宽谱光放大器件提供新思路。

激光在信息通讯、生物医疗以及能源利用等高科技领域中具有重要的应用，因其应用与工作波长密切相关，因此设计能够在宽谱范围内为激光共振提供高效光学反馈的光学共振腔具有重要的研究意义。本项目一方面采用原计划的双曲超材料作为宽谱光学共振腔，另一方面设计了多种并行方案推动本项目的进展，成功实现了超宽谱激光发射，并对激光反馈原理做了深入研究。（1）研制了基于金属纳米线阵列的双曲超材料，通过仿真计算和光学实验研究了其与增益介质的相互作用，与准二维钙钛矿相结合实现了低阈值激光共振。（2）设计了一种基于非晶铋酸盐材料的随机共振腔体，在宽谱范围内通过光学散射提供光学反馈，结合不同增益介质，在533-870 nm的超宽带光谱范围内实现了低阈值激光发射。（3）设计了一种基于金属有机框架结构（MOFs）的光学散射体共振腔，利用热刺激手段调控分子能级结构，可在20 nm范围内实现激光发射波长的动态调控，进一步结合不同增益介质，可在697-787 nm的宽谱范围内实现低阈值激光共振。（4）通过原位生长法设计了基于MOFs光学散射体共振腔的钙钛矿量子点激光，可在MOFs材料上原位生长不同类型的钙钛矿量子点从而调控增益曲线，在485-780 nm的宽谱范围内实现了低阈值激光共振。（5）开发了一种利用拓扑结构变形的原理创制非晶质MOFs微球光学共振腔的方案，在630-716 nm宽谱范围内实现了单模激光发射，品质因子高达10,000，比已有报道高一个数量级。（6）开展了大量探索工作研制优质的光学增益介质，如低维钙钛矿微纳材料、碳基有机纳米材料、稀土离子发射体，将来有望与所开发的宽谱光学共振腔相结合进一步实现高效宽谱激光共振。本项目开展的宽谱光学共振腔和高效光学发射体研究，对于促进激光科学的发展以及开发高效的微纳光子器件具有重要的研究意义。