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近日，北京大学物理学院马仁敏研究员课题组实验发现了拓扑能带反转光场限制效应，将拓扑态的利用由拓扑边缘态扩展至拓扑体态，并基于此实现了一种高性能的拓扑体态激光器。这种新型激光器具有垂直出射、高方向性、小体积、低阈值、窄线宽、单横模、单纵模和高边模抑制比等优异特性。相关工作被《Nature Nanotechnology》杂志以标题 “A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection” 进行长文报道。 激光器的发明加深了人们对光与物质相互作用的认识，并对现代科学与技术的发展起到了巨大的推动作用。至激光器发明以来，激光微型化始终是一个重要的研究方向。半导体激光器因为易于电泵浦和规模生产与集成等优点，是激光微型化的首要选择。经过几十年的发展，半导体激光器的微型化已经取得了巨大的成就。尤其是具有垂直出射特性的垂直腔面发射激光器（VCSEL），目前已有数以百亿计的该型激光器被广泛应用于数据通讯、激光雷达、人脸识别、数据存储与医疗手术等领域。图1：拓扑体态激光器原理和示意图。(a) 用于构造能带反转的拓扑态和拓扑平庸态光子晶体示意图。(b) 实验中发现能带反转可用来实现光场的反射和限制。(c) 垂直发射拓扑体态激光器示意图。拓扑体态激光器出射方向垂直于光学腔反馈平面。 马仁敏研究员与合作者提出并实现了一种新型垂直发射激光器—拓扑体态激光器。这种新型激光器直径只有数微米，具有良好的垂直发射方向性, 窄线宽，单横模、单纵模，能够在室温下以千瓦每平方厘米阈值稳定工作，单模输出边模抑制比超过36 dB。这些性能与商业化激光二极管相当，根据IEEE以及相关工业标准，指标满足多数应用领域需求。 该类激光器的实现有赖于实验中发现的一种新型光反射和限制机制：能带反转光场限制效应。图1给出了能带反转光场限制效应和基于其实现拓扑体态激光器的原理和示意图：实验中首先通过对二维光子晶体进行变形操作，分别获得了具有拓扑态和拓扑平庸态的能带结构；相较于拓扑平庸态，拓扑态的光子晶体能带结构中发生偶极子和四极子能带间的能量反转；实验和理论计算发现频率靠近能带边缘的光场虽然在拓扑态和拓扑平庸态中都可以自由传播，但是在两者的界面处会发生能带反转引起的光场发射；该能带反转引起的光场反射和限制效应仅发生在布里渊区中心附近，越靠近布里渊区中心，光场反射和限制越有效，使得利用该类型反射机制构建的拓扑体态激光器具有单横模、单纵模、面内反馈、垂直出射等优异特性。图2：拓扑体态激光器件与性能。(a-b) 拓扑体态激光器谐振腔（a）和拓扑界面处（b）的电镜图。（c）随功率变化的光谱。（d）激射光谱。（e）激射实空间近场分布。（f）激射角分辨远场分布。 能带反转光场反射和限制效应为激光物理提供了一种新颖的激光模式选择和出射光场调控机制。基于该原理构建的新型拓扑激光器各项性能均达到了可商业化应用的水平（图2）。新的光场反射和限制机制将拓扑态的利用由拓扑边缘态扩展至拓扑体态，同时该原理可以拓展到电子学、声学和声子学等领域。 该工作发表于Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/s41565-019-0584-x)，马仁敏研究员为论文通讯作者；北京大学博士后邵增凯、博士生陈华洲和王所为共同第一作者；其他作者包括北京大学博士生冒芯蕊、杨振乾、访问学生王少雷，以及日本国立材料研究所教授胡晓，学生王星翔。这项工作得到国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心等的支持。

激光发射的光打到被测工件的表面，散射回来的光被透镜汇聚到光电接收器上。被测物体的位置发生变化时，光电接收器上光点的位置也会发生变化，由此检测到物体位置的变化。现已开发两种，分别成功应用于静态测量和动态测量。 主要功能和技术指标： 非接触式测量，适用于任何非镜面的粗糙表面物体的检测；测量范围可以根据用户要求选择，从10mm~200mm；测量误差小于0.5%。 传感器目前已成功应用于轮对几何参数自动测量系统、非接触式静态轨道测量小车、轨检车等。已制造100套以上。

本成果掌握了新型高温高能防护涂层原材料设计和制备、涂层结构-功能一体化设计、涂层寿命可靠预测等技术方法，突破了陶瓷涂层强韧化、涂层宏微结构控制、大尺寸薄壁异形件的尺寸稳定性和涂层质量均匀性控制等关键技术，研制的新型涂层实现了kW/cm2量级高功率密度数十秒的激光有效防护。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、技术分析 针对重大装备对高能激光防护涂层材料提出的迫切需求，开展了高能激光防护涂层材料技术研究。掌握了新型高温高能防护涂层原材料设计和制备、涂层结构-功能一体化设计、涂层寿命可靠预测等技术方法，突破了陶瓷涂层强韧化、涂层宏微结构控制、大尺寸薄壁异形件的尺寸稳定性和涂层质量均匀性控制等关键技术，研制的新型涂层实现了kW/cm2量级高功率密度数十秒的激光有效防护。研究成果已成功应用于高空无人机等重要装备的高温高能防护。 图1：研制的喷涂粉体 图2：大尺寸薄壁异形件构件表面高能激光防护涂层

Ø  成果简介：主动红外夜视仪可以利用近红外半导体激光器作为照明光源，星光级CCD作为图像探测器，配合高倍变焦光学系统，实现在夜间探测目标的目的。针对军事和准军事以及民用的需求，研制系列的激光照明成像系统，具有成本低、使用方便、空间分辨率高、昼夜适用、探测距离较远、能够在一定程度上识别目标伪装等特点。Ø  项目来源：自行开发Ø  技术领域：光学（激光夜视）Ø  应用范围：公安、武

近年来投影显示技术获得了长足的发展，得益于高亮度光源、光学加工和超 高分辨率像源等技术的日益成熟。激光显示系统主要由激光投影机及高性能微结 构光学投影屏幕两大主要部分组成。相比于传统投影机，超短焦投影机具有很多 优势，包括了:工作距离短，可以投射更大的画面，降低了对空间的需求，亮度 损失小，由于有超短的投射距离，能够减少远距离投影所造成的光能损失，画面 表现能力更强。本成果提出一种新型的仅用一片非球面反射镜的折反射式设计方案能够有效地解决投射比较大的难题，投影镜头采用折反式系统架构，并

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