南開大學團隊研制出可彎曲的拓撲激光器

1月7日，記者從南開大學獲悉，該校物理科學學院張心正、陳志剛、許京軍教授團隊聯合斯洛文尼亞斯特藩研究所研究團隊，研制出一種基于軟物質材料的柔性拓撲垂直腔面發射激光器（VCSEL）。相關成果發表于《光：科學與應用》上。

隨著光信息技術發展，光子芯片對光學器件“小、輕、集成”的要求越來越高，片上激光器也因此備受關注。然而，現有片上激光器普遍面臨其剛性結構不能適應柔性器件對靈活性需求的問題。

張心正介紹，近年來，研究人員嘗試借助拓撲物理原理來提升激光器的穩定性。“拓撲結構就像為激光模式加了一層‘保護’，可以降低缺陷或擾動帶來的影響。”他說。但在實際應用中，大多數拓撲VCSEL依賴半導體材料和精密復雜的制備工藝，制備成本相對較高，器件形態固定，且工作波段多集中在近紅外區域，限制了其應用場景。

為此，研究團隊嘗試從材料和結構入手，設計出一種“可以彎曲的拓撲激光器”。與傳統半導體激光器不同，這種新型VCSEL的核心結構由多層薄膜組成：涂覆熒光增益介質的聚合膽甾相液晶薄膜，與常見的商用Mylar薄膜交替堆疊，形成一種一維光學超晶格結構。通過精確控制各層薄膜的厚度和排列方式，研究團隊在結構中引入了空間反演對稱性的破缺，使其在物理機理上可類比二維體系中的量子谷霍爾效應，從而獲得受拓撲保護的激光模式。

“這種結構帶來的直接優勢，是激光工作狀態更加穩定。”論文第一作者、南開大學博士后王鈺介紹，實驗結果表明，該拓撲VCSEL在較低泵浦功率下，依然能夠實現高質量的單模激光輸出。

更重要的是，這種激光器的制備過程不依賴復雜的微納加工工藝，整體結構類似“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控能力也不會受到明顯影響。”王鈺說。

這種“柔性”不僅體現在形態上，還帶來了新的光束調控方式。在泵浦激光方向保持不變的情況下，研究團隊通過彎曲薄膜并調整泵浦位置，使激光從樣品的不同區域出射，光屏上的激光光斑隨之發生平移。進一步改變薄膜的彎曲曲率，還可以調節激光的出射角度，實現無需整體旋轉器件的多角度出射。

此外，該拓撲VCSEL還表現出良好的熱穩定性，即使在長時間泵浦條件下，仍能保持原有的激光性能。這些特性使柔性拓撲VCSEL在可穿戴光子器件、柔性顯示、電子防偽以及激光掃描等領域具有潛在應用前景，也為片上激光器的發展提供了一種新的思路。