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江苏激光联盟导读：
半导体激光器由于其紧凑的尺寸 ， 高效率 ， 低成本和宽光谱 ， 是使用最广泛的激光器 。 但它们的输出功率低 ， 光束质量低 ， 这两种规格很难同时改进 。 例如 ， 虽然较大的腔体会增加功率 ， 但它支持更多的激光模式 ， 从而降低光束质量 。
TCSEL与主流商用单模半导体激光器的比较.图片来源：Institute of Physics
此前 ， 中国科学院物理研究所的L01小组在Lu Ling教授的带领下演示了狄拉克涡旋拓扑腔 。 它提供了最大面积的最佳单模选择 。 这种腔设计旨在克服半导体激光器的上述瓶颈 ， 同时提高输出功率和光束质量 。
最近 ， 同一团队将他们的拓扑腔应用于表面发射激光器 ， 并发明了拓扑腔表面发射激光器（TCSEL） ， 其性能可以远远超过商业同行 。
TCSEL采用耦合波理论建模 。
根据他们在《自然光子学》上发表的报告 ， TCSEL具有10 W峰值功率、亚度光束发散、60 dB边模抑制比和二维（2D）多波长阵列 ， 激光功率为1550nm ， 这是最重要的通信和眼睛安全波长 。 它还可以在任何其他波长范围内工作 ， 并有望用于多种应用 ， 包括用于人脸识别、自动驾驶和虚拟现实的激光雷达 。
研究人员将TCSEL与单模半导体激光器的标准工业产品进行了比较 。 用于互联网通信的分布式反馈（DFB）边缘发射激光器以及支持手机面部识别的垂直腔面发射激光器（VCSEL）都在其优化的1D谐振器设计中采用中间隙模式 。 TCSEL通过实现拓扑中间间隙模式的2D版本继续这一成功之路 ， 该模式更适合半导体芯片上的平面工艺 。
TCSEL性能 。
大面积单模是TCSEL的一个独特特性 ， 它可以改善（>10 W）和光束发散（<1°） 。 相比之下 ， 商用DFB的输出一般在几十mW左右 ， 单个VCSEL的输出只有几mW；表面发射的典型发散角为20° ， 边缘发射器的光束通常较差 。
根据光学显微镜和直径为500μm的扫描电子显微镜图像 ， 可以清楚地看到狄拉克涡旋腔的标志性涡旋结构 。 TCSEL的远场是径向极化的矢量光束 。 重要的是 ， 在没有准直透镜的情况下 ， TCSEL的这种窄发散角（小于1°）可以降低系统的尺寸、复杂性和成本 ， 如3D传感系统 。
此外 ， 波长灵活性是TCSEL的另一个独特功能 ， 例如能够实现单片2D多波长阵列 。 相比之下 ， VCSEL通常缺乏波长可调谐性 ， 因为决定激光波长的垂直腔是外延生长的 。 DFB激光器虽然可以调节波长 ， 但只能实现一维多波长阵列的边缘发射 。
TCSEL 性能和阵列 。 图片来源：Institute of Physics
相比之下 ， TCSEL的波长可以在平面制造过程中任意调整 。 在图2中（右） ， 通过改变晶格常数 ， 相应的激光波长在1512 nm到1616 nm之间线性变化 。 2D阵列中的每台激光器在单模下稳定工作 ， 边模抑制比大于50dB 。 2D多波长TCSEL阵列可以潜在地增强波分复用技术 ， 用于大容量信号传输和多光谱传感应用 。
自从量子霍尔效应被发现以来 ， 拓扑物理学一直是基础研究的焦点 ， 并获得了三项诺贝尔物理学奖（1985年、1998年、2016年） 。 虽然拓扑稳健性可以显著提高设备的稳定性和规格 ， 但拓扑物理的应用仍然很难实现 。 TCSEL可以带来不同 。
多波长2D TCSEL阵列 。
【科学家发明了拓扑腔表面发射激光器】来源：Topological-cavity surface-emitting laser Nature Photonics (2022).DOI: 10.1038/s41566-022-00972-6
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