北京时间2023年12月14日，Nature杂志在线发表了北京大学马仁敏实验室的最新成果。通过对莫尔纳米激光阵列进行相位锁定和控制，他们成功在国际上首次实现了可重构相干纳米激光阵列，展示了纳米激光能够以“P”、“K”、“U”和“中”、“国”等图形生成可重构的阵列化相干激射。
北京大学物理学院马仁敏教授为通讯作者，其指导的博士生栾弘义、欧阳云浩、赵紫薇为共同第一作者，论文作者还包括其博士生毛文志。
在不同维度实现光场极端局域化的高性能激光极大地推动了现代科学和技术的发展，比如2023年获得诺贝尔物理学奖的阿秒激光实现了时间维度光场的极端局域化。在空间维度实现局域化的半导体激光因体积小、能耗低和速度快等特性成为了现代信息技术的基石。近年来，可将光场极端局域化于分子尺度的纳米激光为新一代信息技术和研究强光场局域下的光与物质相互作用带来了新的机遇。
纳米激光研究的核心目标之一是实现可重构的相控阵纳米激光阵列。通过对各个纳米激光进行相位锁定和控制，可获得任意形状的相干激射，从而开拓纳米激光在激光雷达、激光显示、相干计算和通信等领域的应用。然而由于缺乏相应的物理机制，目前已报道的纳米激光只能实现单个或固定阵列的相干激射。
马仁敏课题组利用莫尔超晶格中平带局域波函数可重构的特性，实现了可重构且相位可调谐的相控阵纳米激光阵列。这项工作基于课题组之前提出的魔角纳米激光原理与技术。2021年，马仁敏课题组提出并实现了魔角纳米激光，利用在单个莫尔原胞内的平带波函数局域化，实现了高性能的纳米激光（Nature Nanotechnology 16, 1099-1105(2021)）。随后，该课题组又运用这一原理，成功构建了硅基转角纳腔，其品质因子超过1百万（Fundamental Research 3, 537-543 (2023)）。最新的研究工作取得了莫尔纳米激光阵列的相位锁定和控制，使其能够生成任意形状的阵列化相干激射，如图1所示。
图1. 莫尔纳米激光阵列以“中国”图形生成阵列化相干激射示意图。
课题组通过将两套扭转的光子晶体晶格加工在同一层半导体薄膜，得到光学莫尔超晶格结构。结构中的非局域Bloch模式通过莫尔倒格矢产生耦合，形成实空间局域的本征模式。在能带中这些局域的本征模式对应于莫尔平带。纳米激光阵列的实空间和动量空间电场强度分布由傅里叶变换相互联系，动量空间分布通过能带结构对应出频率分布，莫尔平带保证了频率的简并性，使得任意形状纳米激光阵列的相干激射成为可能（图2）。
图2. 莫尔纳米激光阵列以“P”、“K”、“U”和 “中”、“国”图形生成阵列化相干激射。由于莫尔平带的本征能量简并特性，任意形状的莫尔纳米激光阵列均能够通过自发相位锁定产生相干激射。图中的标尺均为10微米。
课题组还进一步对纳米激光的相对相位进行控制，实现了相控阵纳米激光阵列。图3展示了具有不同相对相位分布的4个纳米激光阵列实空间和动量空间图案。图中标“+”和“−”的纳米激光之间相差180度的相位，这些相位分布决定了4个纳米激光器阵列具有不同的出射方向分布。
图3. 相控阵纳米激光阵列。（a-d）基模（a）、一阶模（b）、二阶模（c）、三阶模（d）的实空间激射图案，标“+”和“−”的纳米激光之间相差180度的相位；（e）基模、一阶模、二阶模、三阶模中心Г点的角分辨强度分布图。
该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、新基石科学基金会等项目的支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06789-9
