近期，中國科學院上海光學精密機械研究所紅外光學材料研究中心董紅星和張龍研究員團隊與華中科技大學合作，報道了一種從具有超低閾值的激子極化激元產生動態可調諧單模激光的新機制，相關研究成果以“Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing with Ultralow Threshold via Symmetry Engineering”為題發表于Nano Letters上。
 

　　實現具有高能量效率且帶寬可調諧單模納米激光器對于全光信息處理、光加密、超分辨率生物醫學成像和小型化智能顯示等眾多技術應用至關重要。目前采取的幾種獲得單模激光的策略仍然具有局限性。此外，目前對于發射波長的調控手段本質上都是靜態的調控，能夠產生動態可調單模激光的新機制亟待發掘。激子極化激元同時具有光子與激子的特性，近年來受到廣泛關注。與傳統激光器相比，極化激元激光器不需要集居數反轉，并且能通過量子化的激子極化激元態的調控實現模式調諧，是研究動態調諧超低閾值激光的理想平臺。
 

　　研究人員報道了通過對稱工程從高激發里德伯態實現可調諧單模極化激元激光。通過勢阱打破極化激元波函數的對稱性，控制增益區和本征模式之間的空間重疊，能夠從量子化的極化激元態產生可逆和動態的單模極化激元激光。增加勢阱的不對稱性，即使在主量子數為N=14的高激發態也能實現單模激光。此外，由于優異的儲能層本征模式重疊和有效的空間約束，與傳統激光相比，激光閾值可降低6個數量級。研究結果闡述的機制不依賴于任何特定的材料，適用于各種極化激元系統，為發展具有動態可調諧的無閾值極化激元激光器開辟了一條新途徑。
 

　　該工作得到國家自然科學基金，上海市青年拔尖人才計劃等項目的支持。
 

　　圖1(a)對稱阱中量子化極化激元態示意圖；(b)模擬的PL譜對應于a所示的實驗配置；(c)非對稱阱中的量子化極化激元態；(d)模擬的PL光譜對應于c所示的實驗配置；(e)典型的ZnO微棒的SEM圖；(f)半徑為1.27 μm的典型ZnO微棒的角度分辨PL圖像。(g)限制在陷阱中的極化激元的空間分辨PL圖像。
 

　　圖2(a-d)對稱阱中空間分辨PL圖像的抽運位置依賴性。每張圖中給出的Δx表示激發激光光斑離阱中心的位移；(e)分別與a-d所示圖像對應的光譜；(f-i)非對稱阱中空間分辨PL圖像的抽運位置依賴性。Δx表示抽運激光光斑與基態極化子波函數反端面的位移。泵送功率:1.25 Pth；(j)分別與f - 1所示圖像對應的光譜。
 

　　圖3(a-d)分別在N = 2、3、7和14激發態時，對高度不對稱阱的空間分辨PL圖像進行了選擇性泵浦，泵送功率:1.35 Pth；(e)分別在N = 2、3、7和14激發態時，對高度不對稱阱的空間分辨PL圖像進行了選擇性泵浦，泵送功率:1.35 Pth。