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超强激光科学卓越创新简报

(第四百二十二期)

2023年9月15日

上海光机所在基于对称工程的超低阈值里德伯态单模极化激元激光方面取得进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所红外光学材料研究中心董红星和张龙研究员团队与华中科技大学合作，报道了一种从具有超低阈值的激子极化激元产生动态可调谐单模激光的新机制，相关研究成果以“Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing with Ultralow Threshold via Symmetry Engineering”为题发表于Nano Letters上。

　　实现具有高能量效率且带宽可调谐单模纳米激光器对于全光信息处理、光加密、超分辨率生物医学成像和小型化智能显示等众多技术应用至关重要。目前采取的几种获得单模激光的策略仍然具有局限性。此外，目前对于发射波长的调控手段本质上都是静态的调控，能够产生动态可调单模激光的新机制亟待发掘。激子极化激元同时具有光子与激子的特性，近年来受到广泛关注。与传统激光器相比，极化激元激光器不需要集居数反转，并且能通过量子化的激子极化激元态的调控实现模式调谐，是研究动态调谐超低阈值激光的理想平台。

　　研究人员报道了通过对称工程从高激发里德伯态实现可调谐单模极化激元激光。通过势阱打破极化激元波函数的对称性，控制增益区和本征模式之间的空间重叠，能够从量子化的极化激元态产生可逆和动态的单模极化激元激光。增加势阱的不对称性，即使在主量子数为N=14的高激发态也能实现单模激光。此外，由于优异的储能层本征模式重叠和有效的空间约束，与传统激光相比，激光阈值可降低6个数量级。研究结果阐述的机制不依赖于任何特定的材料，适用于各种极化激元系统，为发展具有动态可调谐的无阈值极化激元激光器开辟了一条新途径。

　　该工作得到国家自然科学基金，上海市青年拔尖人才计划等项目的支持。

　　原文链接

图1（a）对称阱中量子化极化激元态示意图；（b）模拟的PL谱对应于a所示的实验配置；（c）非对称阱中的量子化极化激元态；（d）模拟的PL光谱对应于c所示的实验配置；（e）典型的ZnO微棒的SEM图；（f）半径为1.27 μm的典型ZnO微棒的角度分辨PL图像。（g）限制在陷阱中的极化激元的空间分辨PL图像。

图2（a-d）对称阱中空间分辨PL图像的抽运位置依赖性。每张图中给出的Δx表示激发激光光斑离阱中心的位移；（e）分别与a-d所示图像对应的光谱；（f-i）非对称阱中空间分辨PL图像的抽运位置依赖性。Δx表示抽运激光光斑与基态极化子波函数反端面的位移。泵送功率:1.25 Pth；（j）分别与f - 1所示图像对应的光谱。

图3（a-d）分别在N = 2、3、7和14激发态时，对高度不对称阱的空间分辨PL图像进行了选择性泵浦，泵送功率:1.35 Pth；（e）分别在N = 2、3、7和14激发态时，对高度不对称阱的空间分辨PL图像进行了选择性泵浦，泵送功率:1.35 Pth。

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