超强激光科学卓越创新简报
(第五百七十八期)
2024年12月17日
上海光机所在激光模式调控技术领域取得进展
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部红外材料研究中心张龙研究员、董红星研究员团队联合湖南大学以及南京航空航天大学的研究人员在激光模式调控技术领域取得了突破性进展。通过一种创新的方法——选择性模式结构破缺（mode structure breaking），研究团队成功在单个激光腔中实现了高性能单模激光输出。相关研究成果以“Single-Mode Lasing by Selective Mode Structure Breaking”为题发表于Advanced Functional Materials。
单模激光因其卓越的单色性、强相干性和高亮度，在多个领域需求日益增长。然而，由于微腔中多个接近的共振模式之间的竞争，实现单模激光一直是一个挑战。本项研究中，研究人员通过引入选择性空间结构破缺，有效地破坏了竞争模式的模式结构，从而实现在单一结构中不引入巨大损耗情况下的模式选择。
作为概念验证，研究人员采用精细加工技术在微盘腔上引入外围角光栅破缺结构，有效地消除了不匹配的竞争模式，实现了单模激光输出。进一步通过引入挖孔来抑制剩余的高阶激光模式，优化了激光特性。值得注意的是，所制造的激光光源，被称为模式结构破坏激光器，展示了卓越的单模激光特性，包括稳定性、超低阈值（约2.31 μJ/cm²）和窄线宽（约0.15 nm）。相关研究为超低阈值、可调谐单模激光器的发展提供了新的途径，同时对在光子集成电路中构建片上激光阵列尤为重要。
相关工作得到了国家自然科学面上基金、国家自然科学青年基金、上海市学术带头人项目以及上海市东方英才领军计划等项目的支持。
图1. 在单一结构中实现单模激光的示意图以及外部模式破缺模式调控
图2. 方位角模式结构破缺模式调控
图3. 内部模式结构破缺模式调控
