圖1. 在單一結構中實現單模激光的示意圖以及外部模式破缺模式調控

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部紅外材料研究中心張龍研究員、董紅星研究員團隊聯合湖南大學以及南京航空航天大學的研究人員在激光模式調控技術領域取得了突破性進展。通過一種創新的方法——選擇性模式結構破缺(mode structure breaking)，研究團隊成功在單個激光腔中實現了高性能單模激光輸出。相關研究成果以“Single-Mode Lasing by Selective Mode Structure Breaking”為題發表于Advanced Functional Materials。

單模激光因其卓越的單色性、強相干性和高亮度，在多個領域需求日益增長。然而，由于微腔中多個接近的共振模式之間的競爭，實現單模激光一直是一個挑戰。本項研究中，研究人員通過引入選擇性空間結構破缺，有效地破壞了競爭模式的模式結構，從而實現在單一結構中不引入巨大損耗情況下的模式選擇。

作為概念驗證，研究人員采用精細加工技術在微盤腔上引入外圍角光柵破缺結構，有效地消除了不匹配的競爭模式，實現了單模激光輸出。進一步通過引入挖孔來抑制剩余的高階激光模式，優化了激光特性。值得注意的是，所制造的激光光源，被稱為模式結構破壞激光器，展示了卓越的單模激光特性，包括穩定性、超低閾值(約2.31 μJ/cm2)和窄線寬(約0.15 nm)。相關研究為超低閾值、可調諧單模激光器的發展提供了新的途徑，同時對在光子集成電路中構建片上激光陣列尤為重要。

圖2. 方位角模式結構破缺模式調控

圖3. 內部模式結構破缺模式調控

相關工作得到了國家自然科學面上基金、國家自然科學青年基金、上海市學術帶頭人項目以及上海市東方英才領軍計劃等項目的支持。

審核編輯 黃宇