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首页>> news>> 2026年08月组内文献阅读汇报



文献标题: Twist Engineering of Photonic Crystal Cavities for Ultralow-Threshold Continuous-Wave WS2 Nanolasers at Room Temperature


研究背景:单层过渡金属二硫化物(1L TMDs)因其无悬挂键表面和强激子效应,被认为是实现超低阈值异质集成纳米激光器的理想增益材料。然而,尽管已有大量TMD纳米激光器的演示,进一步降低激射阈值仍面临两大根本性瓶颈:一是传统光学腔难以同时实现超小模体积(V)和超高品质因子(Q);二是腔体的介质界面引起强介电屏蔽和缺陷辅助非辐射复合,严重抑制单层TMD的激子发射。如何在突破“高Q与小V不可兼得”的同时,最大限度保留TMD激子发射效率,是该领域的核心挑战。 研究内容 本文提出并实验验证了一种基于扭转晶格纳米腔中空气模式的超低阈值WS2连续波激光器。该扭转晶格纳米腔通过在单层SiNₓ薄膜中扭转两个有限尺寸六角光子晶体,引入空气填充率的径向准连续梯度,形成径向渐变光子带隙,作为同心反射镜将K点布洛赫模式紧束缚在腔中心。该空气模式的电场主要局域在空气孔中,而转移至SiNₓ纳米腔上的单层WS₂横跨于空气孔上方,大部分区域处于悬浮状态,从而有效减少了介质界面的介电屏蔽和缺陷辅助非辐射复合。实验上,在室温连续波泵浦下,该WS2纳米激光器实现了0.03 W/cm²的创纪录低阈值,远低于此前报道的所有二维半导体激光器。通过迈克尔逊干涉仪自干涉实验,验证了激光发射的空间相干性和约2.48 mm的相干长度。 创新点一 提出并实现了基于扭转晶格诱导的径向准连续空气填充率梯度的新型光子晶体纳米腔。与依赖“魔角”的莫尔光子晶体不同,该扭转晶格纳米腔对扭转角无严格限制,通过两个有限尺寸六角光子晶体的任意扭转即可形成同心渐变带隙,实现模式体积小、Q因子高的空气模式局域。这种“任意扭转角均可工作”的特性显著提升了设计的灵活性和制备鲁棒性。 创新点二 利用空气模式的场分布特性,将单层WS2置于空气孔上方形成悬浮状态,同时实现两项关键突破:一是极大部分电场能量局域在低折射率的空气中,增强光-物质相互作用;二是单层WS2避免了与介质界面的直接接触,大幅抑制了介电屏蔽和缺陷辅助非辐射复合。这一设计同时解决了TMD激光器长期存在的腔内场增强与界面激子猝灭之间的矛盾。 结论 本文通过在SiNₓ薄膜中构建扭转晶格纳米腔,利用扭转诱导的空气填充率径向梯度形成同心光子带隙反射镜,实现了高Q、小模体积的空气模式局域。将单层WS₂转移至该纳米腔上,WS₂在空气孔区域处于悬浮状态,既规避了介质界面对激子发射的抑制,又利用空气模式的强场局域增强了光-物质耦合。最终实现了室温连续波泵浦下0.03 W/cm²的创纪录低阈值WS₂纳米激光器。该工作为二维半导体激光器突破阈值极限提供了新的设计范式。 启发方面 该研究最深刻的启示在于材料放置位置与模式场分布的空间协同设计,传统方案追求将增益材料置于场强最大处,但这同时引入了界面损耗;本工作反其道而行,将增益材料置于空气孔中,通过避开而非对抗界面效应来保留激子效率。这种空间错位协同的思路可推广至其他对界面敏感的低维材料光源设计。此外,扭转晶格对扭转角的非严格敏感性意味着该方案具有优异的制备容差,这对可规模化制备具有重要意义。 腔的场景。

文献来源: Advanced Materials, 2428787 (2026). 作者:Yuhua Chen, Meng Xia, Kai Zhang, Xingwang Zhang 发表日期: 8 July 2026



报告人:罗猜

文献标题:Programmable Optical Megapixel Nano-Kirigami Matrix


本篇文章开发一种具有像素化机电可重构能力的可编程光学纳米剪纸矩阵,实现高填充因子、高光学对比度、大像素数和高灵活性可编程的光学微阵列,突破现有技术的像素尺寸和集成度限制。提出了一种悬浮式"转弯形"纳米剪纸单元,由中心平板和四周可变形臂组成。通过改变转弯数和臂长,调控机械刚度和变形响应。 臂长 l₁=1.2μm的单圈结构在32 V下实现超过60%的光学调制对比度在400-1000nm波段,而 l₁=0.6μm的结构仅约6%。利用两种不同臂长结构的光学差异,实现了表情、迷宫、蝴蝶、风车等图案的可逆光学加密。该工作成功开发了一种机电可编程的光学兆像素纳米剪纸矩阵,转弯形设计相比传统螺旋结构在填充因子和光学调制对比度上具有显著优势,疲劳抗性提升20%。该矩阵以2.5μm的节距显著突破了现有DMD器件5.4μm的像素尺寸极限,在微显示器、光电芯片、智能机器视觉、高光谱图像传感器及可穿戴智能显示设备等领域具有广阔的应用前景。

Yingying Chen, Yongyue Zhang, Meihua Niu, Chongrui Li, Haozhe Sun, Qinghua Liang, Ruhao Pan, Xinyue Kong, Mingyue Gao, Huikai Xie, Junjie Li, Xiaorong Hong, Jiafang Li Y. Chen, Y. Zhang, M. Niu, et al. “ Programmable Optical Megapixel Nano-Kirigami Matrix.” Advanced Materials 38, no. 48 (2026): e73647. https://doi.org/10.1002/adma.73647



报告人:王艺

文献标题:Observing exceptional point degeneracy of radiation with electrically pumped photonic crystal coupled-nanocavity lasers


内容: 该工作利用两个相互耦合的独立电注入的InP光子晶体纳米腔激光器,分别调节两个腔的注入电流从而独立改变两个腔的增益和损耗最终实现EP。理论上二阶EP处的LDOS增强为4倍,并且共振峰形为squared-Lorentzian。实验上,他们通过调节电流逐渐使两个峰靠近最终合并,在I=2.4uA处两个风合并,继续降低电流,在I=1.4uA处共振峰强度增强30%(最后一张图所示)。随着注入电流减小,损耗逐渐增大,但是峰值光强提升,因此他们认为这个增强是EP处本征态简并带来的LDOS增强,具体判据是根据峰形的拟合更接近squared-Lorentzian。但是该实验并没有直接给出EP处的LDOS具体的增强倍数,只给出了在EP处的发光强度和普通简并的发光强度的对比。



文献来源:Kenta Takata et al. Optica 8, 184-192 (2021) 作者:Kenta Takata, Kengo Nozaki, Eiichi Kuramochi, Shinji Matsuo, Koji Takeda, Takuro Fujii, Shota Kita, Akihiko Shinya, and Masaya Notomi



报告人:彭家华

文献标题: Plasmonic Dirac-vortex lasers via three-dimensional photonic mass vortices engineering 基于三维光子质量涡旋工程的等离激元狄拉克涡旋激光器


研究内容: 针对传统拓扑光子腔主要依赖有限的晶格空间对称性进行调控,导致远场光束强度分布和偏振态设计自由度受限,同时可见光波段狄拉克涡旋腔受材料折射率和纳米加工精度限制而较难实现的问题,本文提出一种基于三维光子质量涡旋工程的等离激元狄拉克涡旋激光器。作者采用铝纳米颗粒构成蜂窝晶格,并利用纳米颗粒的径向位移δₖ、方位角位移δₘ以及颗粒尺寸变化δᵢ构建三维参数空间,通过不同结构扰动打破平移对称性和反演对称性,在双重简并Dirac锥处引入非零光子质量项;进一步将参数空间中的调制相位映射至实空间,使质量项围绕中心发生连续绕转,从而基于Jackiw-Rossi机制在涡旋中心形成局域的零维Dirac-vortex拓扑态。创新点:一是将传统主要局限于二维Kekulé调制的Dirac涡旋设计扩展到三维光子质量参数空间,通过径向位移、方位角位移和颗粒尺寸三个独立自由度联合调控质量项,其中位移主要控制平移对称性和谷间耦合,而颗粒尺寸进一步引入反演对称性破缺,使不同质量涡旋可以在同一等离激元晶格中实现,为拓扑腔提供了更高维度的结构设计自由度;二是利用铝纳米颗粒蜂窝晶格在可见光波段实现等离激元Dirac-vortex激光器,并通过Rhodamine 6G染料引入光学增益补偿金属欧姆损耗,实验获得约581 nm的稳定单模激射;三是实现了对Dirac-vortex激光远场强度和偏振分布的可编程调控,通过改变三维参数空间中质量涡旋所在平面及初始方向,可以获得环形矢量光束、线偏振光束以及具有空间非均匀强度和复杂偏振纹理的结构光。结论:本文通过将蜂窝等离激元晶格的结构扰动扩展到三维参数空间,并将参数空间中的质量项绕转映射到实空间,成功构建了具有可编程远场特性的可见光Dirac-vortex拓扑激光器。三维质量涡旋不仅能够保证零维拓扑缺陷态在涡旋中心稳定局域,还可以通过平移和反演对称性的联合破缺改变谷间耦合及近远场模式分布,从而实现激光强度、偏振和空间结构的协同调控。该工作将等离激元深亚波长场局域能力、Dirac涡旋拓扑腔以及结构光激光输出结合起来,为自由空间光通信、全息、超分辨成像和量子光子学等领域提供了一种新的拓扑光源设计方案;目前器件的光输出效率约为0.1%,仍可通过增益材料和腔结构优化进一步提高。启发:该工作将颗粒位置与颗粒尺寸同时作为独立的质量调控自由度,把拓扑腔设计转化为三维参数空间中的质量矢量设计。高维参数空间的拓扑质量工程可能成为连接“拓扑能带设计—缺陷腔局域—远场结构光输出”的有效方法,对于进一步发展可见光等离激元拓扑腔、拓扑激光以及具有复杂偏振纹理的集成光源具有较强参考价值。



文献来源: Nature Communications, 2026, 17: 4161 作者:Mou Zhong, Xiaoqiong Bi, Mengyuan Song, Nanli Mou, Delin Zhang, Xiaolu Zhuo, Jingtian Hu, Biye Xie, Xianyu Ao, Jun Guan



报告人: 赵健

文献标题: Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances


研究背景:单向辐射在光栅耦合器、光子晶体面发射激光器、光学天线和激光雷达中非常重要。传统方法通常在器件一侧加入金属反射镜或光子带隙反射结构,用阻止某一辐射通道的方式获得方向性,但反射镜会增加器件厚度和工艺复杂度,也可能带来吸收损耗。光子晶体板中的连续域束缚态BIC虽然能够完全禁止辐射,并且在动量空间中对应偏振涡旋和整数拓扑电荷,但是在上下对称结构中,向上和向下的辐射会同时消失,无法实现只保留一个方向的辐射。本文提出并实验观测了一种不需要反射镜的单向导模共振UGR:通过打破上下镜面对称性并调控偏振奇点,使一个方向的辐射严格为零,而另一个方向仍保持有限辐射。 创新点: 1:如图所示,当光子晶体条形结构的侧壁垂直,即θ等于90°时,结构同时具有上下和左右镜面对称性,在TE1能带上存在一个BIC。由于上下对称,向上和向下的辐射衰减率γt和γb相等,并在BIC处同时降为0。这个BIC在远场偏振主轴中表现为一个拓扑电荷q等于1的偏振涡旋。将侧壁倾斜到θ等于81°后,上下镜面对称性被打破,原来的BIC不再存在,但是拓扑电荷不能凭空消失,因此q等于1的整数电荷分裂成两个q等于1/2的半整数电荷,分别对应左旋圆偏振LCP和右旋圆偏振RCP。继续调整侧壁角度到75°时,两个半整数电荷在kx轴上相遇。若该位置仍存在向下辐射,它就必须同时满足左旋和右旋圆偏振,这是不可能的,因此向下辐射被完全抵消,而向上辐射仍然有限,于是形成UGR。这个过程把单向辐射解释为两个同号半整数拓扑电荷碰撞后重新组成整数电荷的结果。



文献来源: nature DOI:10.1038/s41586-020-2181-4 作者:Xuefan Yin, Jicheng Jin , Marin Soljačić, Chao Peng



报告人: 汪志远

文献标题: High-Q Nonlocal Resonances in Mirror-Enhanced Plasmonic Lattices


研究背景 等离激元纳米颗粒阵列因能突破衍射极限、实现局域场大幅增强且共振波长灵活可调,被视为增强光与物质相互作用的理想平台。然而,金属固有的欧姆损耗和不可避免的辐射泄漏长期制约着其品质因子(Q值)的提升。尤其在引入几何相位调控各向异性颗粒以产生拓扑结构光时,空间旋转会严重破坏晶格的远程相干性,导致非局域共振响应急剧退化。因此,如何在金属体系中同时实现超高Q值与复杂波前调控,是等离激元光子学领域长期悬而未决的核心瓶颈。 研究内容 本文提出在银纳米颗粒阵列下方集成反射镜,通过精确调控颗粒与镜面的间距,利用镜面反射光与晶格直接辐射之间的相消干涉,将原本明亮的表面晶格共振(SLR)转化为暗态的偶然连续域束缚态(BIC)。实验在约880 nm处测得高达3039的Q值,较无镜情况提升近一个数量级,且理论预测更高Q值已超出仪器探测极限。研究进一步揭示了临界耦合现象:精确BIC点辐射损耗虽趋于零但外场无法耦合,近场增强反而消失;而在辐射损耗等于吸收损耗的临界耦合处,局域电场增强达到峰值,激光阈值在此呈现两个极小值。最后,作者将圆形颗粒替换为椭圆各向异性颗粒并构建六角晶格,通过空间旋转颗粒取向构造几何相位分布,实现了拓扑荷为-4的复合等离激元微腔,成功将因取向失序跌至215的Q值通过镜面拉升至1002,并发射出具有设计拓扑电荷的矢量激光。 创新点一 首次在金属等离激元体系中利用镜面诱导的干涉效应,实验实现了由偶然BIC支撑的超高Q共振,从根本上突破了辐射损耗对Q值的长期制约。 创新点二 系统揭示了BIC与临界耦合对激光阈值的差异化调控机制,明确指出低阈值激光并非单纯依赖最高Q值,而是取决于近场增强最大化的临界耦合条件,颠覆了此前“Q越高阈值越低”的片面认知。 创新点三 巧妙打破“几何相位调控必然破坏Q值”的传统观念,通过镜面耦合实现了对Q因子与局域近场拓扑的解耦控制,使高度无序的涡旋结构依然维持超高Q值,为复杂波前的高性能发射提供了全新路径。 总结 本研究以一面反射镜为支点,实现了等离激元共振品质的飞跃式提升,系统构建了从被动高Q共振到主动低阈值激光、再到复杂拓扑电荷矢量激光的完整物理图像。该工作为高灵敏生化传感、超低阈值相干光源和量子信息处理提供了切实可行的器件平台。 启发方面 通过调节反射层来调控辐射通道,可以沿用到后续工作中。



PHYSICAL REVIEW LETTERS 137, 016901 (2026) 作者: Xiaoqiong Bi , Chenghao Bai , Zhuang Li, Yangjian Cai ,* and Xianyu Ao † 发表日期: published 29 June 2026



报告人:喻志翔


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