来自新加坡南洋理工大学和英国利兹大学的科学家和工程师们，发明了第一台电驱动拓扑激光器，它具有绕过角落路由轻粒子的能力，并能够应对设备制造中的缺陷。
电驱动半导体激光器是当今最常见的激光器件，它们被用于条形码阅读器和激光打印机等产品，用于光纤通信，以及用于新兴应用，如自动驾驶汽车的激光测距传感器。然而制造是一个严格的过程，如果在这些过程中在激光器的结构中引入任何缺陷，那么当前的激光器设计就不能很好地工作。
在新发表在《自然》期刊上的研究中，南洋理工大学和利兹大学的科学研究进展，克服了这个长期存在的难题，并能利用现有的半导体技术，带来更高效率和更少浪费的制造。这是通过利用理论物理中称为“拓扑态”的概念，制造拓扑激光器来实现的。
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在20世纪80年代，科学家们发现，在某些材料中流动的电子具有拓扑特征，这意味着它们可以绕过角落或缺陷流动，而不会散射或泄漏。2016年诺贝尔物理学奖授予三位理论物理学家，就因他们开创了对电子这种拓扑态的研究。
现在，新加坡南大的一个由工程师和物理学家组成的跨学科团队与利兹大学的材料科学家合作，将这种拓扑方法应用于轻粒子，即光子。南洋理工大学电气电子工程学院首席科学家王齐杰教授说：
每一批制造的激光设备，都有一些部分由于制造和封装过程中引入的缺陷而无法发射激光，这是我们探索激光的拓扑态动机之一，激光的拓扑态比普通光波要稳定得多。在目前的研究中，研究人员使用了一种名为量子级联激光器的电驱动激光器，该激光器基于利兹大学开发的先进半导体晶片。
这项研究的资深作者、利兹大学工程和物理科学学院负责研究和创新的副院长贾尔斯·戴维斯·弗雷恩教授说：拓扑激光器是将一种引人入胜的基本科学现象，应用于实际电子设备的一个很好例子，正如研究显示的那样，它具有改善激光系统性能的潜力。
为了在激光平台上实现拓扑状态，研究团队开发了一种新的设计，其中包含一种谷光子晶体，其灵感来自于被称为二维谷电子绝缘体的电子拓扑材料。该设计由排列在三角形晶格中的六角形孔组成，蚀刻在半导体晶片上，使其非常微型。
在微结构内，激光的拓扑态在1.2毫米圆周的三角形环内循环，充当光学谐振器，积累形成激光束所需的光能。新加坡国立大学理论物理学家、该项目联合首席研究员易东冲副教授表示：
光在这个环路中循环，包括绕着三角形的尖角运动，这是由于拓扑态的特殊特征，普通光波会被尖锐的角落干扰，使它们无法平稳地循环。研究人员指出，新的拓扑量子级联激光器的一个有趣特征是：它发出的光，是在电磁光谱微波和红外区域之间的太赫兹频率。
太赫兹光已被确定为未来在传感、照明和无线通信中可能出现的技术应用主要领域之一。这项研究项目历时两年，涉及一个由12名研究人员组成的跨学科团队。团队成员还包括：
台大物理学家张柏乐副教授(博士后研究员，也是该论文的第一作者)，以及利兹大学太赫兹电子学教授Edmund Linfield教授和高级研究员Lianhe Li博士。展望未来，联合团队正在研究利用其他类型拓扑态的激光器。在这个项目中使用的设计，叫做谷光子晶体，并不是创造拓扑态的唯一方法。
有许多不同类型的拓扑状态，提供针对不同类型缺陷的保护，研究人员还认为，根据不同设备和应用需求量身定做设计将是可能的。2018年，以色列理工学院和美国中佛罗里达大学的一个团队，开发了一种由一系列相连光学谐振器制成的拓扑激光器。
研究表明，激光的拓扑态，可以有效地在激光阵列中的角落和缺陷周围传播。然而，这种原型激光器的缺点比大多数半导体激光器大得多，而且是光学驱动的，这意味着它是由另一台激光器供电的。
博科园｜研究/来自：南洋理工大学
参考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-020-1981-x
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