北京大学马仁敏团队：可重构相干纳米激光阵列

  北京大学马仁敏教授课题组成功完成了莫尔相干纳米激光阵列，突破了纳米激光仅能完成单个或固定阵列相干激射的约束，展现了纳米激光能够以“P”、“K”、“U”和“中”、“国”等图形生成可重构的阵列化相干激射。研讨成果以“相位同步可重构莫尔纳米激光阵列”（Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization）为题在《天然》（Nature）杂志上宣布。

  半导体激光因体积小、能耗低、速度快等特性成为了现代信息技能的柱石。近年来，可将光场极点局域化于分子标准的纳米激光为新一代信息技能和研讨强光场局域下的光与物质彼此作用带来了新的机会。纳米激光研讨的中心方针之一是完成可重构的相控阵纳米激光阵列。经过对各个纳米激光进行相位确定和操控，可获得恣意形状的相干激射，然后开辟纳米激光在激光雷达、激光显现、相干核算和通讯等范畴的使用。但是因为缺少相应的物理机制，现在已报导的纳米激光器只能完成单个或固定阵列的相干激射。

  马仁敏课题组使用莫尔超晶格中平带局域波函数可重构的特性，完成了可重构且相位可调谐的相控阵纳米激光阵列。这项作业根据课题组之前提出的魔角纳米激光原理与技能。2021年，马仁敏课题组提出并完成了魔角纳米激光，使用在单个莫尔原胞内的平带波函数局域化，完成了高性能的纳米激光（Nature Nanotechnology 16, 1099-1105(2021)）。

  随后，该课题组又运用这一原理，成功构建了硅基转角纳腔，其质量因子超越1百万（Fundamental Research 3, 537-543 (2023)）。最新的研讨作业取得了莫尔纳米激光阵列的相位确定和操控，使其能够生成恣意形状的阵列化相干激射，如图1所示。

  课题组经过将两套改变的光子晶体晶格加工在同一层半导体薄膜，得到光学莫尔超晶格结构。结构中的非局域Bloch形式经过莫尔倒格矢发生耦合，构成实空间局域的本征形式。在能带中这些局域的本征形式对应于莫尔平带。纳米激光阵列的实空间和动量空间电场强度散布由傅里叶变换彼此联络，动量空间散布经过能带结构对应出频率散布，莫尔平带确保了频率的简并性，使得恣意形状纳米激光阵列的相干激射成为可能（图2，图3）。

  图2. 莫尔平带的本征能量简并特性使得恣意形状纳米激光阵列的相干激射成为可能。纳米激光阵列的实空间和动量空间电场强度散布由傅里叶变换彼此联络，动量空间散布经过能带结构对应出频率散布，莫尔平带确保了频率的简并性。

  图3. 莫尔纳米激光阵列以“P”、“K”、“U”和“中”、“国”图形生成阵列化相干激射。因为莫尔平带的本征能量简并特性，恣意形状的莫尔纳米激光阵列均能够经过自发相位确定发生相干激射。

  以U形状纳米激光阵列为例，经过自发相位确定发生相干激射的U形状纳米激光阵列具有更高的空间和频谱相干性，表现为动量空间更为局域的方向性出射和频谱空间杰出的单模激射等非相干激射阵列所不具有的特性（图4）。

  图4. U形莫尔纳米激光阵列相干特性。（a）扫描电子显微镜相片，橙色六边形标出了构成U形的17个莫尔纳米激光；（b）相干阵列的二阶强度相关函数随泵浦功率变化图；（c）输出功率随输入功率变化图；（d-f）相干阵列激射的实空间图画（d）、动量空间图画（e）和光谱（f）；（g-i）作为比照器材的非相干阵列激射的实空间图画（g）、动量空间图画（h）和光谱（i）。

  课题组还进一步对纳米激光的相对相位来操控，完成了相控阵纳米激光阵列。图5展现了具有不一样相对相位散布的4个纳米激光阵列实空间和动量空间图画。图中标“+”和“−”的纳米激光之间相差180度的相位，这些相位散布决议了4个纳米激光器阵列具有不一样的出射方向散布。

  图5. 相控阵纳米激光阵列。（a-d）基模（a）、一阶模（b）、二阶模（c）、三阶模（d）的实空间激射图画，标“+”和“−”的纳米激光之间相差180度的相位；（e）基模、一阶模、二阶模、三阶模中心Г点的角分辩强度散布图。

  该研讨突破了纳米激光仅能完成单个或固定阵列相干激射的约束，初次完成了纳米激光阵列的可重构相干操控，是纳米激光物理与器材的要害一步，不仅对在其它有源体系中完成可重构功用具有极端严重的指导意义，一起也为纳米激光走向实践使用奠定了重要根底。

  北京大学物理学院2020级博士研讨生栾弘义、欧阳云浩、赵紫薇为一起榜首作者，论文作者还包含2021级博士研讨生毛文志；马仁敏为通讯作者。