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。

太阳能作为一种洁净和相对易于获取的能源在未来的动力产品中将占有越来越大的比份。如何发展高光电能量转换效率、高可靠性和低成本的太阳能电池是目前太阳能利用领域所面临的关键问题。相对于第一代和第二代太阳能电池(转换效率<<50％)，各国科学家纷纷研究不同的应用于第三代太阳能电池的新材料和新结构，目标是使光电转换效率大于5 0％。近年来，一种具有微、纳米量级特殊结构的光伏材料成为太阳能电池的研究热点。利用飞秒脉冲激光在极短的持续时间内激发出极大的峰值能量，其在硅片的相互作用过程中具有很强的非线性效应，聚焦烧蚀硅表面很小的一块面积，形成规则排列的微纳米结构。这种微纳米结构由于表面积增大，对入射光波有很大的吸收，且对光的敏感性提高了数百倍，这些性质对我们提高光电转换效率具有很大的指导意义。这种材料与本底未处理材料的性质相比，材料带隙减小，对光的敏感性提高了数百倍，这使得其对波长为250—2500 nm的入射光波有大于90％的吸收；另外，黑硅比传统材质的硅的比重低。这些奇特的光电和物理性质能进一步提高太阳能电池的光电转换效率。根据光吸收效率，激子光量子效率，化学电势效率以及填充因子计算总的光电转换效率，普通硅基太阳能电池光电转换效率只有1 5％，而基于微纳结构光伏材料的太阳能电池转换效率可望达到50%-60%。 针对国民经济可持续发展在太阳能光伏技术方面的重大需求，发展利用超短脉冲激光制备具有优异光电转化效率的微纳结构光伏材料的新方法，以及通过探测光伏材料中非平衡载流子的能带结构及微分负电导等特性，探知光伏材料的光电转换效率，从而筛选出转换效率较高的微纳结构光伏材料，最终在发展新型、高效太阳能电池的新原理和新技术方面取得创新性突破，为我国研发具有自主知识产权的高效第三代光伏电池打下坚实基础。

本成果以飞秒激光作为加工光源，研究飞秒激光束流作用下材料表面微结构及彩色视觉效果形成机制，建立飞秒激光彩色微条纹制备理论模型；协同攻克高精度光机电多轴协调控制技术、三维动态扫描振镜及控制技术、激光参量监测及稳定性控制等关键技术，形成超快飞秒激光彩色微条纹制备工艺数据库，集成开发精密制造装备。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 飞秒激光金属表面彩色微条纹全息精密制造装备开发，突破金属表面各类微条纹结构精密加工需求，实现视觉上多层次、多区域幻彩效果显示；相较于传统颜料制备彩色条纹，采用激光制备技术的金属表面彩色视觉效果依赖于表面微纳米结构，不会因金属表面氧化改变显示效果，也不存在掉色等现象，更具有使用价值，非常适用于3C、金属模具加工、纪念币、珠宝制造以及特殊信息存储和防伪等领域。 本成果以飞秒激光作为加工光源，研究飞秒激光束流作用下材料表面微结构及彩色视觉效果形成机制，建立飞秒激光彩色微条纹制备理论模型；协同攻克高精度光机电多轴协调控制技术、三维动态扫描振镜及控制技术、激光参量监测及稳定性控制等关键技术，形成超快飞秒激光彩色微条纹制备工艺数据库，集成开发精密制造装备。技术优势体现在： （1）采用高精密电机控制偏振态镜片旋转扫描装置，同步实现激光加工参数、光束角度线偏振与圆偏振镜片精密偏摆控制，突破光束偏振态多维调控，形成精密激光加工工艺数据库； （2）配套国产飞秒激光器，由激光器性能优化角度改善激光加工效果，于激光器内部实现脉冲调制，减少外部控制环节； （3）基于自主开发的控制系统，实现工艺参数到控制系统集成，简化操作以提高加工效率；满足根据实际应用需求实现特定功能开发。

激光在芯片上光互连上的应用就直接要求激光器的特征尺度接近电子器件，并且其功耗要小于成熟的电互联，应约在10飞焦每比特量级。激光器的功耗与其尺度呈正相关的关系，10飞焦每比特量级的功耗直接要求激光器的模式体积要小于约0.02个波长立方。

本发明公开了一种激光器，包括半导体激光器、光学整形系统、 耦合反射镜、反射镜、平板电极对、放电腔、匹配网络、射频电源、 尾镜和输出镜，其特征在于：放电腔内充有工作气体；平板电极对平 行对称放置于放电腔内，其表面具有对半导体泵浦激光和输出增益激 光的高反射特性；半导体激光为泵浦光，其中心波长与放电腔内工作 气体射频放电后的气体粒子吸收谱线相匹配，通过耦合反射镜注入至 放电腔内。本发明具有结构紧凑、体积小、放电均匀、泵浦

产品详细介绍

几年，随着消费电子（手机、智能手表等）、生物医疗需求的快速发展，尤其是代表下一代柔性移动显示屏OLED的巨大应用市场驱动下，超快激光精密微加工产业在世界范围内迅速增长。与传统的纳秒长脉冲相比，脉宽小于15皮秒的超快激光器用于材料加工时，由于脉冲的持续时间短于材料的热弛豫时间，在加工过程中避免热效应，基本不带来附加损伤和毛刺，适合于微米乃至纳米精度的超精细冷加工。超快激光的瞬间功率极大，几乎可以和任何材料相互作用，因此适用于超快激光加工的材料范围几乎不受限制，尤其有优势的加工对象包括玻璃、蓝宝石、陶瓷、太阳能薄膜、半导体晶圆、特种合金、精密医疗器件等。

激光雷达等传感器以及高效率砷化镓太阳能电池是国务院国家制造强国建设战略咨询委员会列出的核心基础元器件，本项目在国务院国资委以及国家级人才计划科研项目支持下，联合国内知名企业进行关键技术攻关，研制出基于砷化镓的超快半导体激光芯片与激光器可适用于激光加工、5G通信、生物医疗等领域，同时研制出的高效率砷化镓薄膜三结电池曾获得世界最高效率，相关产品已处于中试和量产阶段，本项目相关技术和产品曾获得过2018年度上海市科技进步二等奖，2020年中国发明协会发明创新二等奖，2020年中国光学学会光学科技奖一等奖等奖励。本次将展示本项目研制的相关砷化镓基半导体激光器以及高效率柔性轻质砷化镓薄膜三结太阳能电池。

产品详细介绍PLASMA CO2激光器是PLASM气体放电产品中的佼佼者。此激光器可以最大程度地把电能转化为激光发射能量，并能够提供连续20KW的功率输出并可以产生单次100kJ的脉冲能量。CO2激光器是利用CO2分子在红外光谱区域（9~10微米）受激发越迁而发射激光的激光器。所有的CO2激光器都是把CO2:N2:He以不同的比例混合并加入少量的Xe气体，它可以提供连续和不连续的输出可用于光化学、环境检测系统以及红外探测系统。它具有空间的高指向性及同一性，其高质量的光束同样可以低功率输出（50~100W）用于机器的钻孔、焊接、雕刻材料等用途。PLASMA CO2激光器质量高，寿命长，价格公道合理。产品系列LCD系列LG系列产品名称： PLASMA LG系列CO2激光器产品类别： 激光系列产品 → CO2激光器产品编号： 4258492116产品信息： 产品名称： PLASMA LCD系列CO2激光器产品类别： 激光系列产品 → CO2激光器产品编号： 4258465016产品信息： 产品名称： PLASMACO2激光器产品类别： 激光系列产品 → CO2激光器产品编号： 42414192516产品信息：【激光系列产品】 光纤激光器  多模泵浦激光器  激光二极管未封装bar  激光二极管冷却装置  激光器电源  氦氖激光器  CO2激光器  半导体泵浦激光器  氩离子激光器  氦镉激光器  氮分子激光器  皮秒激光器  激光二极管电源  激光光谱测量  激光能量计/功率计  激光雕刻、打标、切割机  激光二极管模块  深紫外、紫外固体激光器  超快飞秒激光器  热电制冷产品  激光光束定位系统  激光光束分析仪  视频显微镜测量系统  激光准直器  多通道激光功率计  半导体激光器  激光测距仪  红外激光显示卡  调Q激光器  激光护目镜  光学平台  光学调整架  光学微调架  可调嵌入式光学调整架  倾斜位移台  通用调整台  光学延迟线  手动位移台  XY位移台  光学旋转台  角位移调整台  激光器附件  可变光阑  扩束镜  拉曼激光器  大功率光纤耦合激光器  单模垂直腔面发射激光器  紧凑型氩离子激光器  新型氩离子激光器 

主要功能和应用领域：非线性光学应用；光纤传感；激光雷达；时间可分辨的荧光分析；赝单光子源产生；量子纠缠光源 技术指标： 重复频率：0.1-300 MHz可设定；最高可达1.25 GHz；脉冲宽度：50皮秒（典型值），25 – 500 皮秒间可设定；周期抖动：10皮秒（典型值）；峰值功率：直接输出峰值功率大于10 mW；结合MOPA技术达到百瓦量级峰值功率；输出波长：1.0/1.3/1.5 微米波段可选；中心波长附近3 nm范围内连续可调，波长可定制；同步电信号：LVTTL电平信号；输出形式：尾纤输出带FC/PC或FC/APC连接头；供电电源：+12V，2A直流；通信接口：RS232；提供重复频率，同步信号脉宽及其延时设定界面 图1 PS-Pulsed 模块输出波长 （nm） 图2 PS-Pulesd模块输出光脉 PS-Pulsed 激光器模块： 输出波长：1.0/1.3/1.5 微米波段可选；中心波长附近3 nm范围内连续可调；波长可定制 重复频率：< 0.1-100 MHz可设定；1-1.2 GHz 可选；脉冲宽度：50皮秒（典型值），25 – 500 皮秒间可设定；周期抖动：10皮秒（典型值）；峰值功率：直接输出峰值功率大于10 mW；结合MOPA技术达到百瓦量级峰值功率；同步电信号：LVTTL电平信号（延时可设）；输出形式：尾纤输出带FC/PC或FC/APC连接头；通信接口：RS232；提供重复频率，同步信号脉宽及其延时设定界面；供电电源：+12V，2A直流 PL-Pulsed 激光器模块是使用直接调制技术实现的皮秒激光脉冲产生模块。模块的典型尺寸为12cm × 8cm，可根据实际条件进行设定。模块具有友好的人机交互界面，对激光脉冲的重复频率和同步输出信号进行灵活设置。激光器输出波长由模块内的温度控制单元进行稳定的控制和调谐。PL-Pulsed 激光器模块可应用在非线性光学、分布式光纤传感、激光雷达、时间可分辨的荧光分析、生物光子学、赝单光子源、量子光学、量子通信以及随机数产生等领域。