南开大学团队研制出可弯曲的拓扑激光器
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1月7日，记者从南开大学获悉，该校物理科学学院张心正、陈志刚、许京军教授团队联合斯洛文尼亚斯特藩研究所研究团队，研制出一种基于软物质材料的柔性拓扑垂直腔面发射激光器（VCSEL）。相关成果发表于《光：科学与应用》上。
随着光信息技术发展，光子芯片对光学器件“小、轻、集成”的要求越来越高，片上激光器也因此备受关注。然而，现有片上激光器普遍面临其刚性结构不能适应柔性器件对灵活性需求的问题。
张心正介绍，近年来，研究人员尝试借助拓扑物理原理来提升激光器的稳定性。“拓扑结构就像为激光模式加了一层‘保护’，可以降低缺陷或扰动带来的影响。”他说。但在实际应用中，大多数拓扑VCSEL依赖半导体材料和精密复杂的制备工艺，制备成本相对较高，器件形态固定，且工作波段多集中在近红外区域，限制了其应用场景。
为此，研究团队尝试从材料和结构入手，设计出一种“可以弯曲的拓扑激光器”。与传统半导体激光器不同，这种新型VCSEL的核心结构由多层薄膜组成：涂覆荧光增益介质的聚合胆甾相液晶薄膜，与常见的商用Mylar薄膜交替堆叠，形成一种一维光学超晶格结构。通过精确控制各层薄膜的厚度和排列方式，研究团队在结构中引入了空间反演对称性的破缺，使其在物理机理上可类比二维体系中的量子谷霍尔效应，从而获得受拓扑保护的激光模式。
“这种结构带来的直接优势，是激光工作状态更加稳定。”论文第一作者、南开大学博士后王钰介绍，实验结果表明，该拓扑VCSEL在较低泵浦功率下，依然能够实现高质量的单模激光输出。
更重要的是，这种激光器的制备过程不依赖复杂的微纳加工工艺，整体结构类似“贴膜”，可以直接集成到不同形状的基底上。“即使多次弯曲，激光的性能和光束调控能力也不会受到明显影响。”王钰说。
这种“柔性”不仅体现在形态上，还带来了新的光束调控方式。在泵浦激光方向保持不变的情况下，研究团队通过弯曲薄膜并调整泵浦位置，使激光从样品的不同区域出射，光屏上的激光光斑随之发生平移。进一步改变薄膜的弯曲曲率，还可以调节激光的出射角度，实现无需整体旋转器件的多角度出射。
此外，该拓扑VCSEL还表现出良好的热稳定性，即使在长时间泵浦条件下，仍能保持原有的激光性能。这些特性使柔性拓扑VCSEL在可穿戴光子器件、柔性显示、电子防伪以及激光扫描等领域具有潜在应用前景，也为片上激光器的发展提供了一种新的思路。
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