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播報(bào)最新Nanophotonics期刊中文摘要

圖1 耦合腔中的模式選擇機(jī)制

1. 導(dǎo)讀

回音壁微腔(WGM)由于具有高的品質(zhì)因子(Q)和小的模式體積(V)，在微腔激光器、超靈敏檢測和生物醫(yī)學(xué)傳感等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。全色激光器在多色顯示和防偽等領(lǐng)域受到人們的青睞。一般情況下，研究人員通過減少微腔的尺寸，增大自由頻譜范圍(FSR)，使得只有一個(gè)共振模式存在微腔中，從而得到單模激光器(single-mode)。近些年來，研究人員還通過分布反饋光柵結(jié)構(gòu)(DFB)、奇偶時(shí)間對(duì)稱性破缺(PT-symmetry)和游標(biāo)卡尺效應(yīng)(Vernier effect)等方法實(shí)現(xiàn)了單模激光器。在本工作中，研究人員提出通過主動(dòng)腔和被動(dòng)腔耦合實(shí)現(xiàn)單模激光器。

近日，北京工業(yè)大學(xué)翟天瑞教授團(tuán)隊(duì)在Nanophotonics期刊發(fā)表最新文章，設(shè)計(jì)出一種基于二維和三維復(fù)合的耦合腔(2D-3D hybrid μ-cavity)，通過泵浦控制實(shí)現(xiàn)了全色單模激光器。該耦合腔結(jié)構(gòu)由聚合物光纖(Polymer fiber)和聚苯乙烯微球(PSP)組成，聚合物光纖作為優(yōu)良的主動(dòng)腔(Gain μ-cavity)能夠產(chǎn)生多?；匾舯诩す?，而聚苯乙烯微球作為被動(dòng)腔(Filter μ-cavity)提供了損耗通道，能夠抑制大多數(shù)激光模式，當(dāng)增益腔的激光模式被抑制，只有一個(gè)共振模式存在于耦合腔時(shí)，能夠得到單模激光器（見圖1）。團(tuán)隊(duì)在數(shù)值模擬仿真的基礎(chǔ)上分析了共振腔的模式選擇機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)單模激光器提供了理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期非常吻合，據(jù)此制備了多色耦合腔，充分證明了該方法能夠簡單有效地實(shí)現(xiàn)全色單模激光器。

該研究成果不僅為實(shí)現(xiàn)高效率的全色單模激光器提供清晰的設(shè)計(jì)思路，也在片上集成光子器件、信息存儲(chǔ)、激光顯示和信息加密等領(lǐng)域的具有重要的應(yīng)用潛力。

2. 研究背景

回音壁微腔由高折射率的腔體和低折射率包層組成，電磁波在腔體界面以全反射的方式被限制在微腔中，提高電磁波在腔內(nèi)的反射次數(shù)和限制時(shí)間，增加光與物質(zhì)相互作用，從而極大地提高品質(zhì)因子。通常情況下，WGM微腔結(jié)構(gòu)有多種形貌，比如微球，微盤，微環(huán)，微棒和其他多面體結(jié)構(gòu)。增益材料種類也比較廣泛，例如半導(dǎo)體，小分子和聚合物等。單模激光器具有高的光束質(zhì)量和光譜純度，在超靈敏檢測和病毒檢測等光學(xué)傳感領(lǐng)域中備受關(guān)注。近些年來，研究人員對(duì)實(shí)現(xiàn)單模激光器進(jìn)行了深入研究，比如，制備納米尺寸的微腔結(jié)構(gòu)得到單模激光器。

人們也對(duì)耦合腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，通過PT-symmetry和Vernier effect得到了品質(zhì)因子很高的單模激光器，對(duì)于Vernier effect而言，兩個(gè)不同尺寸的微腔構(gòu)成的耦合腔，形成單模的條件為：k×FSR12=n×FSR1=m×FSR2，其中，k、n和m為整數(shù)。當(dāng)耦合腔的FSR大于增益材料的PL范圍時(shí)，只有一個(gè)共振模式存在于耦合腔中，因此得到了單模激光器。

3. 創(chuàng)新研究

北京工業(yè)大學(xué)翟天瑞教授團(tuán)隊(duì)基于濾波效應(yīng)提出了微腔耦合的模式選擇機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種制備工藝簡單的2D-3D hybrid μ-cavity實(shí)現(xiàn)了全色單模激光器。聚合物光纖表面比較光滑，可以作為性能優(yōu)良的增益腔，從而實(shí)現(xiàn)多模回音壁激光器；PSP提供損耗通道可以抑制絕大部分激光模式輸出，最終只有一個(gè)共振模式存在于耦合腔中，得到單模激光器。另外，通過不斷增加2D-3D hybrid μ-cavity的泵浦能量密度，得到了多模激光器的。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效的調(diào)節(jié)回音壁激光出射模式（見圖2）。

泵浦控制是一種很好的方式來實(shí)現(xiàn)模式切換，不同的泵浦位置可以改變耦合腔的耦合效率，從而實(shí)現(xiàn)了不同模式的切換。研究人員通過更換不同增益材料可以得到紅綠藍(lán)（RGB）單模激光器。

圖2 在雜化耦合腔中的光譜特性分析

研究人員利用聚合物材料對(duì)溫度響應(yīng)特性，提供了通過外界溫度控制聚合物光纖出射波長的可行方法。增益材料隨著溫度升高，有效折射率降低，從而觀察到激光譜線藍(lán)移的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)期吻合良好，且能夠恢復(fù)到初始狀狀態(tài)，證明該溫度傳感器具有良好的重復(fù)性。在2D-3D hybrid μ-cavity中，單模激光器的激光譜線隨著溫度升高發(fā)生了藍(lán)移現(xiàn)象，這與預(yù)期保持一致（見圖3）。

圖3 基于溫度傳感的回音壁激光器

4. 應(yīng)用與展望

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種基于濾波效應(yīng)的2D-3D hybrid μ-cavity實(shí)現(xiàn)了全色單模激光器。該方法是一種普適、簡單高效的方法，通過充分利用兩個(gè)相關(guān)耦合腔的模式選擇機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了泵浦控制的全色單模激光器，為未來溫度傳感、集成光子器件和激光顯示領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

該研究成果以“Pump-controlled RGB single-mode polymer lasers based on a hybrid 2D–3D μ-cavity for temperature sensing”為題在線發(fā)表在Nanophotonics。

本文作者分別是Kun Ge, Dan Guo, Ben Niu, Zhiyang Xu, Jun Ruan, Tianrui Zhai, 其中博士生葛坤為第一作者，翟天瑞教授為通訊作者。