我国科研突破：高性能拓扑太赫兹激光器研发迈出关键一步

在全球激光技术竞争日益激烈的背景下，北京量子信息科学研究院与中国科学院半导体研究所携手，于高性能电泵浦拓扑激光器的研发中取得了重大进展。这项突破性研究不仅成功解决了太赫兹电泵浦拓扑激光器功率提升的难题，还为新型光电集成芯片的未来光源探索开辟了新的路径。

相关成果已发表于国际顶级期刊《自然·通讯》上，题为“基于表面金属狄拉克涡旋腔的高功率电泵浦太赫兹拓扑激光器”。

科研创新，跨越技术瓶颈

拓扑激光器因其独特的鲁棒性——即激光模式能在不稳定的环境下维持稳定输出，被视为下一代光电芯片的核心组件。然而，尽管电泵浦拓扑激光器因其实用性强而备受瞩目，低输出功率一直是制约其商业化应用的主要障碍。此次，研究团队创造性地设计了表面金属狄拉克拓扑腔（SMDC），这一创新不仅增强了激光模式的稳定性，还显著提高了激光器的输出功率至150毫瓦，实现了一个数量级的飞跃，与国际同类最佳结果比肩。

技术亮点：强耦合与高效率并举

SMDC设计巧妙地利用了与有源区间的强耦合效应，无需刻蚀有源区即可在较弱的折射率差下稳定工作，证明了拓扑带间模式的高效运作。这种设计不仅保留了有源区的增益特性，还凭借极高的面辐射效率，使激光器实现了前所未有的功率输出。此外，该器件产生的涡旋偏振远场，为片上涡旋偏振光源的应用提供了新视角，并展示了通过相位调制调控远场对称性的潜力。

科研成果，面向未来

此次研发的高性能电泵浦拓扑激光器，不仅在功率输出上实现了质的飞跃，其独特的涡旋偏振特性也为未来光通信、生物成像、数据存储等领域的技术创新奠定了坚实基础。该研究成果的取得，得益于国家自然科学基金、国家重点研发计划及中国科学院青年创新促进会的大力支持，展现了我国在激光技术领域持续不断的科研投入和创新能力。

此次突破标志着我国在高性能激光技术领域的研究迈上了新的台阶，为光电集成技术的未来发展注入了强大的动力。随着研究的进一步深化，电泵浦拓扑激光器有望加速进入实用化阶段，开启光电技术应用的新纪元。

扩展阅读：

拓扑激光器是一种基于拓扑物理学原理设计的新型激光器，它利用了拓扑学中特有的保护机制来实现稳定的单模激光输出。在传统激光器中，激光的产生依赖于光学谐振腔的设计，这些谐振腔通常对缺陷非常敏感，任何微小的结构变化或不完美都可能导致激光性能的大幅下降。而拓扑激光器则通过引入拓扑结构，能在一定程度上克服这些问题。

工作原理

拓扑保护机制：拓扑激光的核心在于其光子晶体结构中存在特殊的拓扑边缘态或界面态。这些状态是由整个材料的拓扑性质决定的，而非局部细节，因此对缺陷有很高的容忍度。即使材料表面有划痕或者结构有微小的变化，这些边缘态仍然能够保持稳定，继续引导光线并维持激光的单模操作。

光子能带结构：在拓扑激光器中，通过设计特定的光子晶体结构，可以实现具有非平凡拓扑特性的光子能带结构。在这样的能带结构中，存在着被称为“拓扑边缘模”的特殊能态，它们只存在于结构的边缘或界面，并且由于拓扑保护而不易受到干扰。

电泵浦技术：为了实现更实用化，研究者致力于发展电泵浦拓扑激光器，即通过电流直接激发激光介质来产生激光，而非传统的光学泵浦。这使得激光器更加紧凑、高效，并且容易与其他电子设备集成。

性能优势

鲁棒性：由于拓扑保护，激光器对环境变化和制造误差有极高的抵抗能力，保证了稳定的激光输出。

单模操作：有利于获得高质量的激光束，对于需要精确控制光束特性的应用至关重要。

集成潜力：体积小、易于与其他光电器件集成，适合用于未来的光电集成芯片。

低阈值与高效率：某些设计可以实现低启动阈值和高转换效率，减少能耗，提升性能。

应用前景

拓扑激光器因其独特的优势，被广泛视为下一代光电子技术的关键组件，有望在数据通信、传感、精密测量、量子计算等领域发挥重要作用。特别是随着光电集成技术的发展，拓扑激光器作为理想光源，可能引领新一代集成光子回路和芯片级光子器件的设计和应用。

目前，尽管电泵浦拓扑激光器的研究取得了进展，但要达到实际应用的标准，还需解决输出功率低等技术挑战。研究人员正积极开发新技术和设计方案，以进一步提升其性能。