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近日，北京大學物理學院馬仁敏研究員課題組實驗發(fā)現(xiàn)了拓撲能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應，將拓撲態(tài)的利用由拓撲邊緣態(tài)擴展至拓撲體態(tài)，并基于此實現(xiàn)了一種高性能的拓撲體態(tài)激光器。這種新型激光器具有垂直出射、高方向性、小體積、低閾值、窄線寬、單橫模、單縱模和高邊模抑制比等優(yōu)異特性。相關(guān)工作被《Nature Nanotechnology》雜志以標題 “A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection” 進行長文報道。 激光器的發(fā)明加深了人們對光與物質(zhì)相互作用的認識，并對現(xiàn)代科學與技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。至激光器發(fā)明以來，激光微型化始終是一個重要的研究方向。半導體激光器因為易于電泵浦和規(guī)模生產(chǎn)與集成等優(yōu)點，是激光微型化的首要選擇。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，半導體激光器的微型化已經(jīng)取得了巨大的成就。尤其是具有垂直出射特性的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），目前已有數(shù)以百億計的該型激光器被廣泛應用于數(shù)據(jù)通訊、激光雷達、人臉識別、數(shù)據(jù)存儲與醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域。圖1：拓撲體態(tài)激光器原理和示意圖。(a) 用于構(gòu)造能帶反轉(zhuǎn)的拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)光子晶體示意圖。(b) 實驗中發(fā)現(xiàn)能帶反轉(zhuǎn)可用來實現(xiàn)光場的反射和限制。(c) 垂直發(fā)射拓撲體態(tài)激光器示意圖。拓撲體態(tài)激光器出射方向垂直于光學腔反饋平面。 馬仁敏研究員與合作者提出并實現(xiàn)了一種新型垂直發(fā)射激光器—拓撲體態(tài)激光器。這種新型激光器直徑只有數(shù)微米，具有良好的垂直發(fā)射方向性, 窄線寬，單橫模、單縱模，能夠在室溫下以千瓦每平方厘米閾值穩(wěn)定工作，單模輸出邊模抑制比超過36 dB。這些性能與商業(yè)化激光二極管相當，根據(jù)IEEE以及相關(guān)工業(yè)標準，指標滿足多數(shù)應用領(lǐng)域需求。 該類激光器的實現(xiàn)有賴于實驗中發(fā)現(xiàn)的一種新型光反射和限制機制：能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應。圖1給出了能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應和基于其實現(xiàn)拓撲體態(tài)激光器的原理和示意圖：實驗中首先通過對二維光子晶體進行變形操作，分別獲得了具有拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)；相較于拓撲平庸態(tài)，拓撲態(tài)的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)中發(fā)生偶極子和四極子能帶間的能量反轉(zhuǎn)；實驗和理論計算發(fā)現(xiàn)頻率靠近能帶邊緣的光場雖然在拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)中都可以自由傳播，但是在兩者的界面處會發(fā)生能帶反轉(zhuǎn)引起的光場發(fā)射；該能帶反轉(zhuǎn)引起的光場反射和限制效應僅發(fā)生在布里淵區(qū)中心附近，越靠近布里淵區(qū)中心，光場反射和限制越有效，使得利用該類型反射機制構(gòu)建的拓撲體態(tài)激光器具有單橫模、單縱模、面內(nèi)反饋、垂直出射等優(yōu)異特性。圖2：拓撲體態(tài)激光器件與性能。(a-b) 拓撲體態(tài)激光器諧振腔（a）和拓撲界面處（b）的電鏡圖。（c）隨功率變化的光譜。（d）激射光譜。（e）激射實空間近場分布。（f）激射角分辨遠場分布。 能帶反轉(zhuǎn)光場反射和限制效應為激光物理提供了一種新穎的激光模式選擇和出射光場調(diào)控機制?；谠撛順?gòu)建的新型拓撲激光器各項性能均達到了可商業(yè)化應用的水平（圖2）。新的光場反射和限制機制將拓撲態(tài)的利用由拓撲邊緣態(tài)擴展至拓撲體態(tài)，同時該原理可以拓展到電子學、聲學和聲子學等領(lǐng)域。 該工作發(fā)表于Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/s41565-019-0584-x)，馬仁敏研究員為論文通訊作者；北京大學博士后邵增凱、博士生陳華洲和王所為共同第一作者；其他作者包括北京大學博士生冒芯蕊、楊振乾、訪問學生王少雷，以及日本國立材料研究所教授胡曉，學生王星翔。這項工作得到國家自然科學基金委、科技部、北京市自然科學基金、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

激光發(fā)射的光打到被測工件的表面，散射回來的光被透鏡匯聚到光電接收器上。被測物體的位置發(fā)生變化時，光電接收器上光點的位置也會發(fā)生變化，由此檢測到物體位置的變化?，F(xiàn)已開發(fā)兩種，分別成功應用于靜態(tài)測量和動態(tài)測量。 主要功能和技術(shù)指標： 非接觸式測量，適用于任何非鏡面的粗糙表面物體的檢測；測量范圍可以根據(jù)用戶要求選擇，從10mm~200mm；測量誤差小于0.5%。 傳感器目前已成功應用于輪對幾何參數(shù)自動測量系統(tǒng)、非接觸式靜態(tài)軌道測量小車、軌檢車等。已制造100套以上。

一、成果簡介： 激光平地控制技術(shù)設備除了應用于 北方旱田平整外，還可用于水田平整，能夠有效地改善水田表面微地形，提高水田土地平整度。該設備可適合我國南部、東南部等有大面積水稻種植區(qū)的地區(qū)，一般用于水田(直播或者插秧)種植前的土地平整作業(yè)。 本研究成果的核心技術(shù)設備是30cm激光接收器，更適合于水田地勢波動較大的情況。本研究成果包括激光發(fā)射器、激光接收器和高程控制器。由接收器負責接收由激光發(fā)射器發(fā)射的激光信號，通過光電轉(zhuǎn)換將

本成果掌握了新型高溫高能防護涂層原材料設計和制備、涂層結(jié)構(gòu)-功能一體化設計、涂層壽命可靠預測等技術(shù)方法，突破了陶瓷涂層強韌化、涂層宏微結(jié)構(gòu)控制、大尺寸薄壁異形件的尺寸穩(wěn)定性和涂層質(zhì)量均勻性控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制的新型涂層實現(xiàn)了kW/cm2量級高功率密度數(shù)十秒的激光有效防護。 一、項目分類 關(guān)鍵核心技術(shù)突破 二、技術(shù)分析 針對重大裝備對高能激光防護涂層材料提出的迫切需求，開展了高能激光防護涂層材料技術(shù)研究。掌握了新型高溫高能防護涂層原材料設計和制備、涂層結(jié)構(gòu)-功能一體化設計、涂層壽命可靠預測等技術(shù)方法，突破了陶瓷涂層強韌化、涂層宏微結(jié)構(gòu)控制、大尺寸薄壁異形件的尺寸穩(wěn)定性和涂層質(zhì)量均勻性控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制的新型涂層實現(xiàn)了kW/cm2量級高功率密度數(shù)十秒的激光有效防護。研究成果已成功應用于高空無人機等重要裝備的高溫高能防護。 圖1：研制的噴涂粉體 圖2：大尺寸薄壁異形件構(gòu)件表面高能激光防護涂層