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播報最新Nanophotonics期刊中文摘要

圖1 耦合腔中的模式選擇機製

1. 導讀

回音壁微腔(WGM)由於(yu) 具有高的品質因子(Q)和小的模式體(ti) 積(V)，在微腔激光器、超靈敏檢測和生物醫學傳(chuan) 感等領域有著重要的應用。全色激光器在多色顯示和防偽(wei) 等領域受到人們(men) 的青睞。一般情況下，研究人員通過減少微腔的尺寸，增大自由頻譜範圍(FSR)，使得隻有一個(ge) 共振模式存在微腔中，從(cong) 而得到單模激光器(single-mode)。近些年來，研究人員還通過分布反饋光柵結構(DFB)、奇偶時間對稱性破缺(PT-symmetry)和遊標卡尺效應(Vernier effect)等方法實現了單模激光器。在本工作中，研究人員提出通過主動腔和被動腔耦合實現單模激光器。

近日，北京工業(ye) 大學翟天瑞教授團隊在Nanophotonics期刊發表最新文章，設計出一種基於(yu) 二維和三維複合的耦合腔(2D-3D hybrid μ-cavity)，通過泵浦控製實現了全色單模激光器。該耦合腔結構由聚合物光纖(Polymer fiber)和聚苯乙烯微球(PSP)組成，聚合物光纖作為(wei) 優(you) 良的主動腔(Gain μ-cavity)能夠產(chan) 生多模回音壁激光，而聚苯乙烯微球作為(wei) 被動腔(Filter μ-cavity)提供了損耗通道，能夠抑製大多數激光模式，當增益腔的激光模式被抑製，隻有一個(ge) 共振模式存在於(yu) 耦合腔時，能夠得到單模激光器（見圖1）。團隊在數值模擬仿真的基礎上分析了共振腔的模式選擇機製，為(wei) 實現單模激光器提供了理論基礎。實驗結果與(yu) 理論預期非常吻合，據此製備了多色耦合腔，充分證明了該方法能夠簡單有效地實現全色單模激光器。

該研究成果不僅(jin) 為(wei) 實現高效率的全色單模激光器提供清晰的設計思路，也在片上集成光子器件、信息存儲(chu) 、激光顯示和信息加密等領域的具有重要的應用潛力。

2. 研究背景

回音壁微腔由高折射率的腔體(ti) 和低折射率包層組成，電磁波在腔體(ti) 界麵以全反射的方式被限製在微腔中，提高電磁波在腔內(nei) 的反射次數和限製時間，增加光與(yu) 物質相互作用，從(cong) 而極大地提高品質因子。通常情況下，WGM微腔結構有多種形貌，比如微球，微盤，微環，微棒和其他多麵體(ti) 結構。增益材料種類也比較廣泛，例如半導體(ti) ，小分子和聚合物等。單模激光器具有高的光束質量和光譜純度，在超靈敏檢測和病毒檢測等光學傳(chuan) 感領域中備受關(guan) 注。近些年來，研究人員對實現單模激光器進行了深入研究，比如，製備納米尺寸的微腔結構得到單模激光器。

人們(men) 也對耦合腔結構進行了理論和實驗研究，通過PT-symmetry和Vernier effect得到了品質因子很高的單模激光器，對於(yu) Vernier effect而言，兩(liang) 個(ge) 不同尺寸的微腔構成的耦合腔，形成單模的條件為(wei) ：k×FSR12=n×FSR1=m×FSR2，其中，k、n和m為(wei) 整數。當耦合腔的FSR大於(yu) 增益材料的PL範圍時，隻有一個(ge) 共振模式存在於(yu) 耦合腔中，因此得到了單模激光器。

3. 創新研究

北京工業(ye) 大學翟天瑞教授團隊基於(yu) 濾波效應提出了微腔耦合的模式選擇機製，設計了一種製備工藝簡單的2D-3D hybrid μ-cavity實現了全色單模激光器。聚合物光纖表麵比較光滑，可以作為(wei) 性能優(you) 良的增益腔，從(cong) 而實現多模回音壁激光器；PSP提供損耗通道可以抑製絕大部分激光模式輸出，最終隻有一個(ge) 共振模式存在於(yu) 耦合腔中，得到單模激光器。另外，通過不斷增加2D-3D hybrid μ-cavity的泵浦能量密度，得到了多模激光器的。理論和實驗結果表明，該方法能夠有效的調節回音壁激光出射模式（見圖2）。

泵浦控製是一種很好的方式來實現模式切換，不同的泵浦位置可以改變耦合腔的耦合效率，從(cong) 而實現了不同模式的切換。研究人員通過更換不同增益材料可以得到紅綠藍（RGB）單模激光器。

圖2 在雜化耦合腔中的光譜特性分析

研究人員利用聚合物材料對溫度響應特性，提供了通過外界溫度控製聚合物光纖出射波長的可行方法。增益材料隨著溫度升高，有效折射率降低，從(cong) 而觀察到激光譜線藍移的現象，實驗結果和理論預期吻合良好，且能夠恢複到初始狀狀態，證明該溫度傳(chuan) 感器具有良好的重複性。在2D-3D hybrid μ-cavity中，單模激光器的激光譜線隨著溫度升高發生了藍移現象，這與(yu) 預期保持一致（見圖3）。

圖3 基於(yu) 溫度傳(chuan) 感的回音壁激光器

4. 應用與(yu) 展望

研究團隊設計出了一種基於(yu) 濾波效應的2D-3D hybrid μ-cavity實現了全色單模激光器。該方法是一種普適、簡單高效的方法，通過充分利用兩(liang) 個(ge) 相關(guan) 耦合腔的模式選擇機製，實現了泵浦控製的全色單模激光器，為(wei) 未來溫度傳(chuan) 感、集成光子器件和激光顯示領域有著廣闊的應用前景。

該研究成果以“Pump-controlled RGB single-mode polymer lasers based on a hybrid 2D–3D μ-cavity for temperature sensing”為(wei) 題在線發表在Nanophotonics。

本文作者分別是Kun Ge, Dan Guo, Ben Niu, Zhiyang Xu, Jun Ruan, Tianrui Zhai, 其中博士生葛坤為(wei) 第一作者，翟天瑞教授為(wei) 通訊作者。