自組織（Self-organization）是指個體元素通過內部相互作用自發(fā)排列成有序模式的集體共振現(xiàn)象。然而，傳統(tǒng)半導體激光腔中的混沌多模同步現(xiàn)象使其在實際應用場景中的性能受到限制。拓撲光子學起源于凝聚態(tài)物理中的拓撲物態(tài)理論，通過利用“拓撲不變量”描述光子晶體能帶結構，為構建具有魯棒性、單向性、強局域化的光子態(tài)提供了新范式。

近日，中國科學院院士、半導體研究所鄭婉華團隊成功觀測到基于離域化拓撲邊界態(tài)的自組織激射現(xiàn)象，實現(xiàn)了大規(guī)模高相干激光出射，精準破解了傳統(tǒng)激光器中“高功率與高相干性互相牽制”的核心矛盾——傳統(tǒng)器件受限于物理機制，常需在二者間權衡妥協(xié)。研究依托離域化拓撲邊界態(tài)與非厄米調制輔助的自組織同步機制，既保留了拓撲保護與自組織賦予的高相干性優(yōu)勢，又通過離域化擴展能量分布，最終形成“功率-相干性”協(xié)同優(yōu)化的創(chuàng)新技術方案。

研究團隊從經典一維拓撲Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型出發(fā)，利用結構的手征對稱性保護特性，調控SSH晶格中的單元耦合強度，實現(xiàn)拓撲邊界態(tài)在實空間中的離域化分布；借助基于圖形化電極結構的非厄米調制，離域化的拓撲邊界態(tài)能夠在無序背景中保持主導地位，呈現(xiàn)出獨特的自組織模式。與同等規(guī)模的光子晶體激光器相比，該拓撲激光器具有更高的空間相干性，這使其展現(xiàn)出更低的閾值、更穩(wěn)定的輸出空間模式以及更高的散斑對比度，同時，進一步擴大了拓撲邊界態(tài)的空間分布規(guī)模，并引入移相耦合器以提升輸出光功率密度。

這一方案不僅豐富了拓撲激光器的技術路徑，更呼應了拓撲光子學向集成光子芯片、高性能光發(fā)射器件滲透的發(fā)展趨勢，進一步推動了拓撲物理在光子領域的技術落地。

相關研究成果發(fā)表在《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews）上。研究工作得到國家自然科學基金、北京市科技新星計劃等的支持。

論文鏈接

自組織拓撲激光輸出與基本原理概圖

離域化拓撲邊界態(tài)的設計概念圖

拓撲激光器與同規(guī)模光子晶體實驗結果對比圖