自組織（Self-organization）是指個體元素通過內(nèi)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(dǎo)體激光腔中的混沌多模同步現(xiàn)象使其在實際應(yīng)用場景中的性能受到限制。拓撲光子學(xué)則起源于凝聚態(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(jié)構(gòu)，為構(gòu)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(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士團隊在《激光與光子學(xué)評論》（Laser & Photonics Reviews）發(fā)表一項創(chuàng)新成果，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(quán)衡妥協(xié)；而該研究依托離域化拓撲邊界態(tài)與非厄米調(diào)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(shù)方案。

圖片:W020251007415603105555.png

圖1.自組織拓撲激光輸出與基本原理概圖

研究團隊從經(jīng)典一維拓撲Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型出發(fā)，利用結(jié)構(gòu)的手征對稱性保護特性，調(diào)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；同時，借助基于圖形化電極結(jié)構(gòu)的非厄米調(diào)制，離域化的拓撲邊界態(tài)能夠在無序背景中保持主導(dǎo)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。

圖片:W020251007415603386936.png

圖2.離域化拓撲邊界態(tài)的設(shè)計概念圖

圖片:W020251007415603613717.png

圖3.拓撲激光器與同規(guī)模光子晶體實驗結(jié)果對比圖

這一方案不僅豐富了拓撲激光器的技術(shù)路徑，更呼應(yīng)了拓撲光子學(xué)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(lǐng)域的技術(shù)落地。該成果以“Self-organized lasing of delocalized state enabled by non-Hermitian manipulation and chiral symmetry”為題，發(fā)表于《激光與光子學(xué)評論》（Laser & Photonics Reviews，DOI：10.1002/lpor.202501772）。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所博士后陳靜瑄與博士生唐臣燕為共同第一作者，青年研究員王明金與鄭婉華院士為共同通訊作者。

該項工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市科技新星等項目的資助。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202501772。