近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所紅外光學(xué)材料研究中心董紅星和張龍研究員團隊與華中科技大學(xué)合作，報道了一種從具有超低閾值的激子極化激元產(chǎn)生動態(tài)可調(diào)諧單模激光的新機制，相關(guān)研究成果以“Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing with Ultralow Threshold via Symmetry Engineering”為題發(fā)表于Nano Letters上。
 

　　實現(xiàn)具有高能量效率且?guī)捒烧{(diào)諧單模納米激光器對于全光信息處理、光加密、超分辨率生物醫(yī)學(xué)成像和小型化智能顯示等眾多技術(shù)應(yīng)用至關(guān)重要。目前采取的幾種獲得單模激光的策略仍然具有局限性。此外，目前對于發(fā)射波長的調(diào)控手段本質(zhì)上都是靜態(tài)的調(diào)控，能夠產(chǎn)生動態(tài)可調(diào)單模激光的新機制亟待發(fā)掘。激子極化激元同時具有光子與激子的特性，近年來受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)激光器相比，極化激元激光器不需要集居數(shù)反轉(zhuǎn)，并且能通過量子化的激子極化激元態(tài)的調(diào)控實現(xiàn)模式調(diào)諧，是研究動態(tài)調(diào)諧超低閾值激光的理想平臺。
 

　　研究人員報道了通過對稱工程從高激發(fā)里德伯態(tài)實現(xiàn)可調(diào)諧單模極化激元激光。通過勢阱打破極化激元波函數(shù)的對稱性，控制增益區(qū)和本征模式之間的空間重疊，能夠從量子化的極化激元態(tài)產(chǎn)生可逆和動態(tài)的單模極化激元激光。增加勢阱的不對稱性，即使在主量子數(shù)為N=14的高激發(fā)態(tài)也能實現(xiàn)單模激光。此外，由于優(yōu)異的儲能層本征模式重疊和有效的空間約束，與傳統(tǒng)激光相比，激光閾值可降低6個數(shù)量級。研究結(jié)果闡述的機制不依賴于任何特定的材料，適用于各種極化激元系統(tǒng)，為發(fā)展具有動態(tài)可調(diào)諧的無閾值極化激元激光器開辟了一條新途徑。
 

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金，上海市青年拔尖人才計劃等項目的支持。
 

　　圖1(a)對稱阱中量子化極化激元態(tài)示意圖；(b)模擬的PL譜對應(yīng)于a所示的實驗配置；(c)非對稱阱中的量子化極化激元態(tài)；(d)模擬的PL光譜對應(yīng)于c所示的實驗配置；(e)典型的ZnO微棒的SEM圖；(f)半徑為1.27 μm的典型ZnO微棒的角度分辨PL圖像。(g)限制在陷阱中的極化激元的空間分辨PL圖像。
 

　　圖2(a-d)對稱阱中空間分辨PL圖像的抽運位置依賴性。每張圖中給出的Δx表示激發(fā)激光光斑離阱中心的位移；(e)分別與a-d所示圖像對應(yīng)的光譜；(f-i)非對稱阱中空間分辨PL圖像的抽運位置依賴性。Δx表示抽運激光光斑與基態(tài)極化子波函數(shù)反端面的位移。泵送功率:1.25 Pth；(j)分別與f - 1所示圖像對應(yīng)的光譜。
 

　　圖3(a-d)分別在N = 2、3、7和14激發(fā)態(tài)時，對高度不對稱阱的空間分辨PL圖像進(jìn)行了選擇性泵浦，泵送功率:1.35 Pth；(e)分別在N = 2、3、7和14激發(fā)態(tài)時，對高度不對稱阱的空間分辨PL圖像進(jìn)行了選擇性泵浦，泵送功率:1.35 Pth。