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播报最新Nanophotonics期刊中文摘要

图1 耦合腔中的模式选择机制

1. 导读

回音壁微腔(WGM)由于具有高的品质因子(Q)和小的模式体积(V)，在微腔激光器、超灵敏检测和生物医学传感等领域有着重要的应用。全色激光器在多色显示和防伪等领域受到人们的青睐。一般情况下，研究人员通过减少微腔的尺寸，增大自由频谱范围(FSR)，使得只有一个共振模式存在微腔中，从而得到单模激光器(single-mode)。近些年来，研究人员还通过分布反馈光栅结构(DFB)、奇偶时间对称性破缺(PT-symmetry)和游标卡尺效应(Vernier effect)等方法实现了单模激光器。在本工作中，研究人员提出通过主动腔和被动腔耦合实现单模激光器。

近日，北京工业大学翟天瑞教授团队在Nanophotonics期刊发表最新文章，设计出一种基于二维和三维复合的耦合腔(2D-3D hybrid μ-cavity)，通过泵浦控制实现了全色单模激光器。该耦合腔结构由聚合物光纤(Polymer fiber)和聚苯乙烯微球(PSP)组成，聚合物光纤作为优良的主动腔(Gain μ-cavity)能够产生多模回音壁激光，而聚苯乙烯微球作为被动腔(Filter μ-cavity)提供了损耗通道，能够抑制大多数激光模式，当增益腔的激光模式被抑制，只有一个共振模式存在于耦合腔时，能够得到单模激光器（见图1）。团队在数值模拟仿真的基础上分析了共振腔的模式选择机制，为实现单模激光器提供了理论基础。实验结果与理论预期非常吻合，据此制备了多色耦合腔，充分证明了该方法能够简单有效地实现全色单模激光器。

该研究成果不仅为实现高效率的全色单模激光器提供清晰的设计思路，也在片上集成光子器件、信息存储、激光显示和信息加密等领域的具有重要的应用潜力。

2. 研究背景

回音壁微腔由高折射率的腔体和低折射率包层组成，电磁波在腔体界面以全反射的方式被限制在微腔中，提高电磁波在腔内的反射次数和限制时间，增加光与物质相互作用，从而极大地提高品质因子。通常情况下，WGM微腔结构有多种形貌，比如微球，微盘，微环，微棒和其他多面体结构。增益材料种类也比较广泛，例如半导体，小分子和聚合物等。单模激光器具有高的光束质量和光谱纯度，在超灵敏检测和病毒检测等光学传感领域中备受关注。近些年来，研究人员对实现单模激光器进行了深入研究，比如，制备纳米尺寸的微腔结构得到单模激光器。

人们也对耦合腔结构进行了理论和实验研究，通过PT-symmetry和Vernier effect得到了品质因子很高的单模激光器，对于Vernier effect而言，两个不同尺寸的微腔构成的耦合腔，形成单模的条件为：k×FSR12=n×FSR1=m×FSR2，其中，k、n和m为整数。当耦合腔的FSR大于增益材料的PL范围时，只有一个共振模式存在于耦合腔中，因此得到了单模激光器。

3. 创新研究

北京工业大学翟天瑞教授团队基于滤波效应提出了微腔耦合的模式选择机制，设计了一种制备工艺简单的2D-3D hybrid μ-cavity实现了全色单模激光器。聚合物光纤表面比较光滑，可以作为性能优良的增益腔，从而实现多模回音壁激光器；PSP提供损耗通道可以抑制绝大部分激光模式输出，最终只有一个共振模式存在于耦合腔中，得到单模激光器。另外，通过不断增加2D-3D hybrid μ-cavity的泵浦能量密度，得到了多模激光器的。理论和实验结果表明，该方法能够有效的调节回音壁激光出射模式（见图2）。

泵浦控制是一种很好的方式来实现模式切换，不同的泵浦位置可以改变耦合腔的耦合效率，从而实现了不同模式的切换。研究人员通过更换不同增益材料可以得到红绿蓝（RGB）单模激光器。

图2 在杂化耦合腔中的光谱特性分析

研究人员利用聚合物材料对温度响应特性，提供了通过外界温度控制聚合物光纤出射波长的可行方法。增益材料随着温度升高，有效折射率降低，从而观察到激光谱线蓝移的现象，实验结果和理论预期吻合良好，且能够恢复到初始状状态，证明该温度传感器具有良好的重复性。在2D-3D hybrid μ-cavity中，单模激光器的激光谱线随着温度升高发生了蓝移现象，这与预期保持一致（见图3）。

图3 基于温度传感的回音壁激光器

4. 应用与展望

研究团队设计出了一种基于滤波效应的2D-3D hybrid μ-cavity实现了全色单模激光器。该方法是一种普适、简单高效的方法，通过充分利用两个相关耦合腔的模式选择机制，实现了泵浦控制的全色单模激光器，为未来温度传感、集成光子器件和激光显示领域有着广阔的应用前景。

该研究成果以“Pump-controlled RGB single-mode polymer lasers based on a hybrid 2D–3D μ-cavity for temperature sensing”为题在线发表在Nanophotonics。

本文作者分别是Kun Ge, Dan Guo, Ben Niu, Zhiyang Xu, Jun Ruan, Tianrui Zhai, 其中博士生葛坤为第一作者，翟天瑞教授为通讯作者。