在全球激光技術競爭日益激烈的背景下，北京量子信息科學研究院與中國科學院半導體研究所攜手，于高性能電泵浦拓撲激光器的研發(fā)中取得了重大進展。這項突破性研究不僅成功解決了太赫茲電泵浦拓撲激光器功率提升的難題，還為新型光電集成芯片的未來光源探索開辟了新的路徑。

相關成果已發(fā)表于國際頂級期刊《自然·通訊》上，題為“基于表面金屬狄拉克渦旋腔的高功率電泵浦太赫茲拓撲激光器”。

科研創(chuàng)新，跨越技術瓶頸

拓撲激光器因其獨特的魯棒性——即激光模式能在不穩(wěn)定的環(huán)境下維持穩(wěn)定輸出，被視為下一代光電芯片的核心組件。然而，盡管電泵浦拓撲激光器因其實用性強而備受矚目，低輸出功率一直是制約其商業(yè)化應用的主要障礙。此次，研究團隊創(chuàng)造性地設計了表面金屬狄拉克拓撲腔（SMDC），這一創(chuàng)新不僅增強了激光模式的穩(wěn)定性，還顯著提高了激光器的輸出功率至150毫瓦，實現(xiàn)了一個數(shù)量級的飛躍，與國際同類最佳結果比肩。

技術亮點：強耦合與高效率并舉

SMDC設計巧妙地利用了與有源區(qū)間的強耦合效應，無需刻蝕有源區(qū)即可在較弱的折射率差下穩(wěn)定工作，證明了拓撲帶間模式的高效運作。這種設計不僅保留了有源區(qū)的增益特性，還憑借極高的面輻射效率，使激光器實現(xiàn)了前所未有的功率輸出。此外，該器件產(chǎn)生的渦旋偏振遠場，為片上渦旋偏振光源的應用提供了新視角，并展示了通過相位調(diào)制調(diào)控遠場對稱性的潛力。

科研成果，面向未來

此次研發(fā)的高性能電泵浦拓撲激光器，不僅在功率輸出上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，其獨特的渦旋偏振特性也為未來光通信、生物成像、數(shù)據(jù)存儲等領域的技術創(chuàng)新奠定了堅實基礎。該研究成果的取得，得益于國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃及中國科學院青年創(chuàng)新促進會的大力支持，展現(xiàn)了我國在激光技術領域持續(xù)不斷的科研投入和創(chuàng)新能力。

此次突破標志著我國在高性能激光技術領域的研究邁上了新的臺階，為光電集成技術的未來發(fā)展注入了強大的動力。隨著研究的進一步深化，電泵浦拓撲激光器有望加速進入實用化階段，開啟光電技術應用的新紀元。

擴展閱讀：

拓撲激光器是一種基于拓撲物理學原理設計的新型激光器，它利用了拓撲學中特有的保護機制來實現(xiàn)穩(wěn)定的單模激光輸出。在傳統(tǒng)激光器中，激光的產(chǎn)生依賴于光學諧振腔的設計，這些諧振腔通常對缺陷非常敏感，任何微小的結構變化或不完美都可能導致激光性能的大幅下降。而拓撲激光器則通過引入拓撲結構，能在一定程度上克服這些問題。

工作原理

拓撲保護機制：拓撲激光的核心在于其光子晶體結構中存在特殊的拓撲邊緣態(tài)或界面態(tài)。這些狀態(tài)是由整個材料的拓撲性質(zhì)決定的，而非局部細節(jié)，因此對缺陷有很高的容忍度。即使材料表面有劃痕或者結構有微小的變化，這些邊緣態(tài)仍然能夠保持穩(wěn)定，繼續(xù)引導光線并維持激光的單模操作。

光子能帶結構：在拓撲激光器中，通過設計特定的光子晶體結構，可以實現(xiàn)具有非平凡拓撲特性的光子能帶結構。在這樣的能帶結構中，存在著被稱為“拓撲邊緣模”的特殊能態(tài)，它們只存在于結構的邊緣或界面，并且由于拓撲保護而不易受到干擾。

電泵浦技術：為了實現(xiàn)更實用化，研究者致力于發(fā)展電泵浦拓撲激光器，即通過電流直接激發(fā)激光介質(zhì)來產(chǎn)生激光，而非傳統(tǒng)的光學泵浦。這使得激光器更加緊湊、高效，并且容易與其他電子設備集成。

性能優(yōu)勢

魯棒性：由于拓撲保護，激光器對環(huán)境變化和制造誤差有極高的抵抗能力，保證了穩(wěn)定的激光輸出。

單模操作：有利于獲得高質(zhì)量的激光束，對于需要精確控制光束特性的應用至關重要。

集成潛力：體積小、易于與其他光電器件集成，適合用于未來的光電集成芯片。

低閾值與高效率：某些設計可以實現(xiàn)低啟動閾值和高轉換效率，減少能耗，提升性能。

應用前景

拓撲激光器因其獨特的優(yōu)勢，被廣泛視為下一代光電子技術的關鍵組件，有望在數(shù)據(jù)通信、傳感、精密測量、量子計算等領域發(fā)揮重要作用。特別是隨著光電集成技術的發(fā)展，拓撲激光器作為理想光源，可能引領新一代集成光子回路和芯片級光子器件的設計和應用。

目前，盡管電泵浦拓撲激光器的研究取得了進展，但要達到實際應用的標準，還需解決輸出功率低等技術挑戰(zhàn)。研究人員正積極開發(fā)新技術和設計方案，以進一步提升其性能。