小型化激光器在現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著核心作用。超出波長尺度的激光小型化的突破為廣泛的應(yīng)用以及研究極端光場局域化和激光模式工程中的光與物質(zhì)相互作用開辟了新的機(jī)會(huì)。微米級激光研究的最終目標(biāo)是開發(fā)可重新配置的相干納米激光陣列，以同時(shí)增強(qiáng)信息容量和功能。然而，缺乏合適的物理機(jī)制來重新配置納米激光器腔阻礙了納米激光器在單腔或固定陣列中的演示。在這里，作者提出并演示了基于扭曲光子石墨烯晶格中的光學(xué)寬帶的莫爾納米激光陣列，其中從單個(gè)納米腔到可重構(gòu)納米腔陣列實(shí)現(xiàn)了相干納米激光。作者觀察到同步納米激光陣列表現(xiàn)出高空間和光譜相干性，跨越一系列不同的圖案，包括 P、K 和 U 形狀以及漢字“中”和“國”（中文中的“中國”）。此外，作者獲得了以空間變化的相對相位發(fā)射的納米激光陣列，使其能夠操縱發(fā)射方向。該工作為開發(fā)可重構(gòu)有源器件奠定了基礎(chǔ)，這些器件在通信、LiDAR（光檢測和測距）、光學(xué)計(jì)算和成像方面具有潛在的應(yīng)用。
Fig 1. 具有鎖相功能的可重構(gòu)莫爾納米激光陣列。相干可重構(gòu)莫爾納米激光器的示意圖，該激光器發(fā)射 P（頂層）、K（中間層）和 U（底層）形狀的不同圖案。每個(gè)圖案都經(jīng)過顏色編碼，以指示組成納米激光器在發(fā)射階段的同步性。納米激光器通過利用位于莫爾超晶格單個(gè)晶胞中心的平帶模式作為其諧振模式來發(fā)揮作用。值得注意的是，平帶簡并性允許局部平帶模式的任意疊加作為系統(tǒng)的本征模式。這一關(guān)鍵特征使得能夠創(chuàng)建可重構(gòu)納米激光陣列，其中可重構(gòu)納米激光的諧振模式由位于所需單位單元陣列中的平帶模式?jīng)Q定。
Fig 2. 具有鎖相功能的 U 形莫爾納米激光陣列。 a，由橙色六邊形突出顯示的莫爾超晶格的 17 個(gè)晶胞組成的 U 形莫爾納米激光器的 SEM 圖像。莫爾超晶格是在由 InGaAsP MQW 組成的半導(dǎo)體膜中制造的。比例尺，5 μm。b，放大的 SEM 圖像，突出顯示莫爾超晶格的單個(gè)晶胞。比例尺，1 μm。 c，b 中四個(gè)指定區(qū)域的透視 SEM 圖像，描繪了 MQW 的不同層。比例尺，300 nm。 d，納米激光陣列的二階強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)g
(2)(τ = 0)，在激光閾值附近表現(xiàn)出超泊松光特性(g
(2)(τ = 0) > 1)。高于激光閾值，發(fā)射的光子變得相干，并且它們的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)從超泊松轉(zhuǎn)變?yōu)椴此?(g
(2)(τ = 0) = 1)。圓圈、數(shù)據(jù)；線，引導(dǎo)眼睛。 U 形莫爾納米激光陣列在對數(shù)刻度上的插圖光-光曲線，呈現(xiàn)了陣列的激光閾值行為。圓圈、數(shù)據(jù)；線，擬合。 e,f，U 形莫爾納米激光陣列在實(shí)空間 (e) 和動(dòng)量空間 (f) 中的自發(fā)發(fā)射圖案。比例尺，10 μm（e），1.6 μm
−1（f）。 g,h，U 形莫爾納米激光陣列在實(shí)數(shù) (g) 和動(dòng)量 (h) 空間中的激光發(fā)射圖案。比例尺，10 μm（g）， 1.6 μm
−1（h）。 i,j，真實(shí) (i) 和動(dòng)量 (j) 空間中的模擬發(fā)射模式，與 g 和 h 中的實(shí)驗(yàn)匹配良好。比例尺，10 μm (i)， 1.6 μm
−1 (j)。 k，U形莫爾納米激光陣列的自發(fā)發(fā)射光譜。 l，整個(gè) U 形莫爾納米激光陣列的光譜（頂部光譜）和來自 g 中標(biāo)記的七個(gè)單獨(dú)晶胞的空間分辨光譜。
Fig 3. 相干 P 形和 K 形莫爾納米激光陣列。a,b，P 形莫爾納米激光陣列在實(shí)空間 (a) 和動(dòng)量空間 (b) 中的自發(fā)發(fā)射圖案。比例尺，10 μm (a)， 1.6 μm
−1 (b)。 c,d，實(shí)數(shù) (c) 和動(dòng)量 (d) 空間中陣列的激光發(fā)射模式。比例尺，10 μm（c）， 1.6 μm
−1（d）。 e,f，真實(shí) (e) 和動(dòng)量 (f) 空間中的模擬發(fā)射模式，與 c 和 d 中的實(shí)驗(yàn)匹配良好。比例尺，10 μm (e)， 1.6 μm
−1 (f)。 g，整個(gè) P 形莫爾納米激光陣列的光譜（頂部光譜）和 c 中標(biāo)記的七個(gè)單獨(dú)晶胞的空間分辨光譜。 h,i，K 形莫爾納米激光陣列在實(shí)數(shù) (h) 和動(dòng)量 (i) 空間中的自發(fā)發(fā)射圖案。比例尺，10μm（h），1.6μm
−1（i）。 j,k，實(shí)數(shù) (j) 和動(dòng)量 (k) 空間中陣列的激光發(fā)射模式。比例尺，10 μm (j)， 1.6 μm
−1 (k)。 l,m，真實(shí) (l) 和動(dòng)量 (m) 空間中的模擬發(fā)射模式，與 j 和 k 中的實(shí)驗(yàn)匹配良好。比例尺，10 μm (l)， 1.6 μm
−1 (m)。 n，整個(gè) K 形莫爾納米激光陣列的光譜（頂部光譜）和 j 中標(biāo)記的七個(gè)單獨(dú)晶胞的空間分辨光譜。
Fig 4. 用于光束控制的相位相關(guān)疊加。 a-d，基本模式 (a)、第一高模式 (b)、第二高模式 (c) 和第三高模式 (d) 的激光發(fā)射模式，水平方向分別有 0、1、2 和 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)。在基本模式下，陣列中的所有組成納米激光器均以同步相位發(fā)射。然而，對于第一、第二和第三高模，每兩個(gè)相鄰的標(biāo)有“+”和“-”符號的區(qū)域之間存在π的相位差。比例尺，10 μm。 e–h，基本 (e)、第一高模 (f)、第二高模 (g) 和第三高模 (h) 的動(dòng)量空間激光發(fā)射模式。比例尺，1.6 μm−1。 i，水平方向中心 Γ 點(diǎn)處四種空間模式的角度分辨強(qiáng)度分布。點(diǎn)、數(shù)據(jù)；線條, 擬合. j，沿著 Γ-M 方向的平帶的三維全波模擬能帶圖，伴隨著四種模式的疊加動(dòng)量分布，如圖 a-d 所示。沿垂直軸測量的每條曲線 M 點(diǎn)處的值代表該模式的諧振波長。四種模式的諧振波長處的群折射率分別為130、58、37和32。點(diǎn)、數(shù)據(jù)；線條, 擬合.
Fig 5. 漢字“中”和“國”的相干可重構(gòu)莫爾納米激光陣列。 a-c，漢字“中”的實(shí)空間圖案（a）、動(dòng)量空間圖案（b）和激光譜（c）。比例尺，10 μm (a)， 1.6 μm
−1 (b)。 d-f，漢字“國”的實(shí)空間圖（d）、動(dòng)量空間圖（e）和激光譜（f）。比例尺，10 μm (d)， 1.6 μm
−1 (e)。
相關(guān)研究工作由北京大學(xué)Ren-Min Ma課題組于2023年在線發(fā)表在《Nature》期刊上，Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization，原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06789-9
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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