北京大学Ren-Min Ma课题组--基于扭曲光子石墨烯晶

　　小型化激光器在现代信息社会的基础设施中发挥着核心作用。超出波长尺度的激光小型化的突破为广泛的应用以及研究极端光场局域化和激光模式工程中的光与物质相互作用开辟了新的机会。微米级激光研究的最终目标是开发可重新配置的相干纳米激光阵列，以同时增强信息容量和功能。然而，缺乏合适的物理机制来重新配置纳米激光器腔阻碍了纳米激光器在单腔或固定阵列中的演示。在这里，作者提出并演示了基于扭曲光子石墨烯晶格中的光学宽带的莫尔纳米激光阵列，其中从单个纳米腔到可重构纳米腔阵列实现了相干纳米激光。作者观察到同步纳米激光阵列表现出高空间和光谱相干性，跨越一系列不同的图案，包括 P、K 和 U 形状以及汉字“中”和“国”（中文中的“中国”）。此外，作者获得了以空间变化的相对相位发射的纳米激光阵列，使其能够操纵发射方向。该工作为开发可重构有源器件奠定了基础，这些器件在通信、LiDAR（光检测和测距）、光学计算和成像方面具有潜在的应用。

　　Fig 1. 具有锁相功能的可重构莫尔纳米激光阵列。相干可重构莫尔纳米激光器的示意图，该激光器发射 P（顶层）、K（中间层）和 U（底层）形状的不同图案。每个图案都经过颜色编码，以指示组成纳米激光器在发射阶段的同步性。纳米激光器通过利用位于莫尔超晶格单个晶胞中心的平带模式作为其谐振模式来发挥作用。值得注意的是，平带简并性允许局部平带模式的任意叠加作为系统的本征模式。这一关键特征使得能够创建可重构纳米激光阵列，其中可重构纳米激光的谐振模式由位于所需单位单元阵列中的平带模式决定。

　　Fig 2. 具有锁相功能的 U 形莫尔纳米激光阵列。a，由橙色六边形突出显示的莫尔超晶格的 17 个晶胞组成的 U 形莫尔纳米激光器的 SEM 图像。莫尔超晶格是在由 InGaAsP MQW 组成的半导体膜中制造的。比例尺，5   μm。b，放大的 SEM 图像，突出显示莫尔超晶格的单个晶胞。比例尺，1   μm。c，b 中四个指定区域的透视 SEM 图像，描绘了 MQW 的不同层。比例尺，300   nm。d，纳米激光阵列的二阶强度相关函数g(2)(τ   =   0)，在激光阈值附近表现出超泊松光特性(g(2)(τ   =   0)     1)。高于激光阈值，发射的光子变得相干，并且它们的统计数据从超泊松转变为泊松 (g(2)(τ   =   0)   =   1)。圆圈、数据；线，引导眼睛。U 形莫尔纳米激光阵列在对数刻度上的插图光-光曲线，呈现了阵列的激光阈值行为。圆圈、数据；线，拟合。e,f，U 形莫尔纳米激光阵列在实空间 (e) 和动量空间 (f) 中的自发发射图案。比例尺，10   μm（e），1.6   μm − 1（f）。g,h，U 形莫尔纳米激光阵列在实数 (g) 和动量 (h) 空间中的激光发射图案。比例尺，10   μm（g），   1.6   μm − 1（h）。i,j，真实 (i) 和动量 (j) 空间中的模拟发射模式，与 g 和 h 中的实验匹配良好。比例尺，10   μm (i)， 1.6   μm − 1 (j)。k，U形莫尔纳米激光阵列的自发发射光谱。l，整个 U 形莫尔纳米激光阵列的光谱（顶部光谱）和来自 g 中标记的七个单独晶胞的空间分辨光谱。

　　Fig 3. 相干 P 形和 K 形莫尔纳米激光阵列。a,b，P 形莫尔纳米激光阵列在实空间 (a) 和动量空间 (b) 中的自发发射图案。比例尺，10   μm (a)， 1.6   μm − 1 (b)。c,d，实数 (c) 和动量 (d) 空间中阵列的激光发射模式。比例尺，10   μm（c），   1.6   μm − 1（d）。e,f，真实 (e) 和动量 (f) 空间中的模拟发射模式，与 c 和 d 中的实验匹配良好。比例尺，10   μm (e)， 1.6   μm − 1 (f)。g，整个 P 形莫尔纳米激光阵列的光谱（顶部光谱）和 c 中标记的七个单独晶胞的空间分辨光谱。h,i，K 形莫尔纳米激光阵列在实数 (h) 和动量 (i) 空间中的自发发射图案。比例尺，10μm（h），1.6μm − 1（i）。j,k，实数 (j) 和动量 (k) 空间中阵列的激光发射模式。比例尺，10   μm (j)， 1.6   μm − 1 (k)。l,m，真实 (l) 和动量 (m) 空间中的模拟发射模式，与 j 和 k 中的实验匹配良好。比例尺，10   μm (l)， 1.6   μm − 1 (m)。n，整个 K 形莫尔纳米激光阵列的光谱（顶部光谱）和 j 中标记的七个单独晶胞的空间分辨光谱。

　　Fig 4. 用于光束控制的相位相关叠加。a-d，基本模式 (a)、第一高模式 (b)、第二高模式 (c) 和第三高模式 (d) 的激光发射模式，水平方向分别有 0、1、2 和 3 个节点。在基本模式下，阵列中的所有组成纳米激光器均以同步相位发射。然而，对于第一、第二和第三高模，每两个相邻的标有“+”和“-”符号的区域之间存在π的相位差。比例尺，10   μm。e–h，基本 (e)、第一高模 (f)、第二高模 (g) 和第三高模 (h) 的动量空间激光发射模式。比例尺，1.6   μm − 1。i，水平方向中心 Γ 点处四种空间模式的角度分辨强度分布。点、数据；线条, 拟合. j，沿着 Γ-M 方向的平带的三维全波模拟能带图，伴随着四种模式的叠加动量分布，如图 a-d 所示。沿垂直轴测量的每条曲线 M 点处的值代表该模式的谐振波长。四种模式的谐振波长处的群折射率分别为130、58、37和32。点、数据；线条, 拟合。

　　Fig 5. 汉字“中”和“国”的相干可重构莫尔纳米激光阵列。a-c，汉字“中”的实空间图案（a）、动量空间图案（b）和激光谱（c）。比例尺，10   μm (a)， 1.6   μm − 1 (b)。d-f，汉字“国”的实空间图（d）、动量空间图（e）和激光谱（f）。比例尺，10   μm (d)， 1.6   μm − 1 (e)。

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