|作者：馬仁敏

(北京大學(xué)物理學(xué)院)

本文選自《物理》2024年第1期

納米激光是一種新型的微型化激光，其尺寸在三個(gè)維度上都接近或小于其激射波長(zhǎng)(對(duì)于可見(jiàn)光波段，激射波長(zhǎng)約為數(shù)百納米)。在空間維度上，納米激光將光場(chǎng)限制在一個(gè)極小的區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)的空間極端局域化。這種局域化光場(chǎng)的構(gòu)建不僅使納米激光具備小體積、低能耗和快速度等特性，同時(shí)也為在強(qiáng)受限體系下研究光與物質(zhì)相互作用開(kāi)辟了新的途徑。

自1960年激光問(wèn)世以來(lái)，通過(guò)在時(shí)間、頻率、動(dòng)量或空間等維度對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行局域化，從而實(shí)現(xiàn)更高性能的激光一直是推動(dòng)激光物理與器件發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，由此催生出的新型高性能激光也深刻促進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步。例如，在時(shí)間維度極端局域化光場(chǎng)可以得到超快的阿秒激光(2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))，為觀測(cè)微觀世界中粒子的超快運(yùn)動(dòng)提供了可能；在頻率維度極端局域化光場(chǎng)可以得到用來(lái)構(gòu)建精密干涉裝置所需的頻率穩(wěn)定激光，使引力波探測(cè)成為可能(2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))；在波矢維度極端局域化光場(chǎng)可獲得超準(zhǔn)直激光，可應(yīng)用于遠(yuǎn)距離星際空間高速光通信；而在空間維度上，極端局域化光場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)微型化激光。微型化激光研究始于20世紀(jì)90年代^[1—4]，因其所蘊(yùn)含的豐富物理以及在信息技術(shù)領(lǐng)域中的重大應(yīng)用前景，這一研究領(lǐng)域至今仍然保持著旺盛的活力^[5]。

在世紀(jì)之交，貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了微盤激光，加州理工學(xué)院發(fā)明了光子晶體缺陷態(tài)激光，而加州大學(xué)伯克利分校則發(fā)明了納米線激光，這些微型化激光將激光的特征尺寸縮小到一個(gè)真空波長(zhǎng)量級(jí)^[6—8]。2009年，首次實(shí)現(xiàn)的等離激元納米激光使激光的特征尺度降至真空波長(zhǎng)的十分之一量級(jí)，達(dá)到電子器件特征尺度^[9—11]。近年來(lái)，新的光場(chǎng)調(diào)控手段被引入到微納激光領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了功能各異的拓?fù)湮⒓{激光、連續(xù)態(tài)中的束縛態(tài)微納激光以及非厄米宇稱—時(shí)間對(duì)稱微納激光等，為微納激光的發(fā)展注入了新的活力。

微納激光研究的核心目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的相控陣納米激光陣列。通過(guò)對(duì)各個(gè)納米激光進(jìn)行相位鎖定和控制，可獲得任意形狀的相干激射，從而開(kāi)拓納米激光在激光雷達(dá)、激光顯示、相干計(jì)算和通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。然而由于缺乏相應(yīng)的物理機(jī)制，目前已報(bào)道的微納激光只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)或固定陣列的相干激射。

圖1 魔角納米激光   (a)將兩套扭轉(zhuǎn)的光子晶體晶格置于同一層半導(dǎo)體材料中形成的單層轉(zhuǎn)角莫爾超晶格的電子顯微鏡照片。兩套光子晶體晶格間的相對(duì)轉(zhuǎn)角為4.41°。紅色六邊形是莫爾超晶格的一個(gè)原胞。局域在每個(gè)原胞中的莫爾平帶波函數(shù)均可被用來(lái)構(gòu)建莫爾納米激光；(b)通過(guò)三維全波模擬得到的(a)圖中莫爾超晶格的能帶結(jié)構(gòu)。紅色的能帶為莫爾光學(xué)平帶，其在實(shí)空間對(duì)應(yīng)著局域化的波函數(shù)；(c)利用局域在單個(gè)莫爾原胞中的平帶波函數(shù)實(shí)現(xiàn)的魔角納米激光近場(chǎng)激射圖案

在雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系的啟發(fā)下，我們課題組發(fā)展出了魔角納米激光(圖1)^[12]。該激光的光場(chǎng)局域源于莫爾倒格矢引起的光子晶體模式之間的相互耦合。與光子晶體缺陷態(tài)納米光腔相比，這種耦合無(wú)需形成光子晶體禁帶即可生成具有亞波長(zhǎng)局域的高品質(zhì)因子納米光腔。在實(shí)驗(yàn)中，我們運(yùn)用微納加工技術(shù)，在同一層的半導(dǎo)體材料中制備了兩套扭轉(zhuǎn)的光子晶體晶格。這樣便形成了更大周期的莫爾超晶格，其中的莫爾倒格矢引起了具有不同晶格動(dòng)量的布洛赫模式之間的相互耦合，進(jìn)而在實(shí)空間中形成光場(chǎng)的局域化。這些在實(shí)空間局域的布洛赫模式在能帶中對(duì)應(yīng)著莫爾光學(xué)平帶。值得注意的是，與電子體系的雙層轉(zhuǎn)角石墨烯不同，我們?cè)诠鈱W(xué)體系中將兩套扭轉(zhuǎn)的光子晶體晶格置于同一層的半導(dǎo)體材料中。在這種單層轉(zhuǎn)角莫爾超晶格中，兩套光子晶體中的布洛赫波函數(shù)在垂直于傳播方向的維度完全重合，增強(qiáng)了它們之間的耦合強(qiáng)度。因此，在較大的扭轉(zhuǎn)角度下，這個(gè)體系仍能獲得莫爾平帶及其對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)局域化效應(yīng)。

隨后，我們還運(yùn)用單層轉(zhuǎn)角莫爾超晶格成功構(gòu)建了硅基轉(zhuǎn)角納米光腔，其品質(zhì)因子超過(guò)一百萬(wàn)^[13]。運(yùn)用單層轉(zhuǎn)角莫爾超晶格，哈佛大學(xué)還在氮化鎵體系實(shí)現(xiàn)了激射波長(zhǎng)在450 nm附近的莫爾納米激光^[14]。美國(guó)西北大學(xué)發(fā)現(xiàn)即使將兩套扭轉(zhuǎn)的等離激元光子晶體在空間上分開(kāi)數(shù)百微米，仍然能夠觀察到兩套光子晶體之間轉(zhuǎn)角依賴的相互耦合，并用其構(gòu)建了可調(diào)諧莫爾激光^[15]。

一般而言，當(dāng)把相同的納米激光排布成陣列時(shí)，由于納米激光諧振腔之間的相互耦合，其簡(jiǎn)并的頻率會(huì)發(fā)生劈裂。但由魔角納米激光排布構(gòu)成的莫爾超晶格中，各納米激光的頻率均對(duì)應(yīng)著莫爾光學(xué)平帶，具有頻率簡(jiǎn)并的特性。最近，我們利用這一特性實(shí)現(xiàn)了莫爾納米激光陣列的相位鎖定和控制，使其能夠生成任意形狀的陣列化相干激射^[16]。納米激光陣列實(shí)空間和動(dòng)量空間的電場(chǎng)強(qiáng)度分布由傅里葉變換相互聯(lián)系，動(dòng)量空間分布通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)出頻率分布，莫爾平帶保證了頻率的簡(jiǎn)并性，這種簡(jiǎn)并特性使得任意形狀納米激光陣列的相干激射成為可能(圖2)。

圖2 莫爾平帶的本征能量簡(jiǎn)并特性使得任意形狀納米激光陣列的相干激射成為可能。納米激光陣列實(shí)空間和動(dòng)量空間的電場(chǎng)強(qiáng)度分布通過(guò)傅里葉變換相互聯(lián)系，而動(dòng)量空間的分布則通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)映射到頻率分布上。莫爾平帶的存在確保了頻率的簡(jiǎn)并性，使實(shí)空間任意排布的陣列均能單模激射。圖中以U形莫爾激光陣列為例，展示了實(shí)空間激射圖案(a)、動(dòng)量空間激射圖案(b)和投影到能帶結(jié)構(gòu)之后激射模式的動(dòng)量和頻率分布(c)

我們可以將局域于單個(gè)莫爾原胞的本征模式Ψ_j 作為莫爾平帶模式的一組完備基(Ψ_j 滿足本征方程：HΨ_j=E_jΨ_j (j=1, 2, ???, N )，其中N 為整個(gè)莫爾超晶格的原胞數(shù)量)。由于平帶的本征能量簡(jiǎn)并特性，Ψ_j 的任意線性組合亦為莫爾超晶格的本征模式，即，其中E=E₁, E₂, ?, E_n，本征模式可用于不同形狀圖案的單模激射。在實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)不同的光泵浦圖案選擇性地激發(fā)不同的本征模式，演示了莫爾納米激光陣列可以用“P”、“K”、“U”和“中”、“國(guó)”等圖形生成陣列化相干激射(圖3)。我們還進(jìn)一步對(duì)納米激光的相對(duì)相位進(jìn)行了精確控制，實(shí)現(xiàn)了相控陣納米激光陣列。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)不同的光泵浦圖案選擇性地激發(fā)不同階數(shù)的本征模式，在相應(yīng)的波函數(shù)中，納米激光在不同位置具有由階數(shù)確定的180°相位差。通過(guò)利用不同區(qū)域的相位差，我們成功調(diào)節(jié)和控制了納米激光陣列的出射方向。通過(guò)電注入的方式實(shí)現(xiàn)莫爾納米激光陣列可進(jìn)一步推進(jìn)其應(yīng)用進(jìn)程，這也是我們團(tuán)隊(duì)正在探索的課題之一。

圖3 莫爾納米激光陣列以“P”、“K”、“U”和“中”、“國(guó)”圖形生成的陣列化相干激射。由于莫爾平帶的本征能量簡(jiǎn)并特性，任意形狀的莫爾納米激光陣列均能夠通過(guò)自發(fā)相位鎖定產(chǎn)生相干激射

在光頻段實(shí)現(xiàn)相位可控陣列為納米激光的應(yīng)用鋪平了道路。通過(guò)相位同步，納米激光陣列能夠?qū)崿F(xiàn)大面積、高功率的單模激射；精細(xì)的相對(duì)相位調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)激光陣列出射方向的精準(zhǔn)控制。同時(shí)，納米激光之間的相干性還可用于進(jìn)行相干計(jì)算和通信。在基礎(chǔ)物理研究方面，在轉(zhuǎn)角納腔中，光場(chǎng)的極端局域化為研究腔量子電動(dòng)力學(xué)、非線性光學(xué)、量子光學(xué)等提供了一個(gè)出色的平臺(tái)。