近日，科学家们Abdullah Demir和Ramy El-Ganainy等人发表了题为 “Single-mode quasi PT-symmetric laser with high power emission”的科技文章。大面积激光器可用于产生高输出功率激光。然而，代价是引入高阶模式而降低光束质量。作者通过实验展示了一种新型电泵浦大面积边发射激光器，它具有高发射功率（∼0.4 W） 和高质量光束 (M2~1.25)。该激光器是通过在大面积双模激光器腔体的二阶模式和单模辅助伴侣腔的二阶模式之间建立准宇称时间（PT）对称性来实现的，即通过在两个耦合的腔体之间实现部分等谱性。以此扩大高阶模式的有效体积。并且通过电流注入到主激光腔中进行选择性泵浦为基模提供更强的模式增益，从而在滤除高阶横向模式后实现单模态下的激光发射。该文章已发表在Light: Science & Applications期刊上。
研究背景
半导体激光器的发明已经彻底改变了现代光学技术，在工业、电信、生物和太空探索中的应用不胜枚举。虽然半导体平台中激光发射背后的基本原理已广为人知，但研究人员一直致力于优化半导体激光器的性能，包括功率转换效率、输出功率、光束质量、激光能级、光谱特性、尺寸、对不良噪声的鲁棒性和热管理、可靠性等。目前，半导体激光器的制造主要分为两种：即垂直腔面发射激光器（VCSEL）和边发射激光二极管（EE-LD）。相比之下，VCSEL具有近乎完美的高斯模式，而EE-LD拥有更高的功率水平。然而，EE-LD的输出功率主要受限于总注入电流，但增加泵浦电流会导致单位横截面积上电流密度增加，进而触发输出限制效应，例如非线性损耗和光学灾变损伤等。可以通过扩大横截面以获得更高的功率，同时将电流密度保持在损伤阈值以下。然而，这样会引入高阶光学模式降低发射光束质量。因此，如何实现高功率操作的大面积单模激光器是十分重要的。
目前，非厄米光子学的概念也被用于设计和提高片上激光系统的性能。从理论上提出并通过实验验证了宇称时间（PT）对称性可以通过倏逝场滤波来抑制高阶横模。还展示了具有单纵模激光的PT对称激光器等。此外，据报道，非厄米效应和其他对称性概念，如超对称性和拓扑不变量之间的相互作用，可以被用来建立新型的激光器。然而，到目前为止，尚不清楚这些设计概念是否可以扩展到实际设备，因为更高的载流子浓度和光功率可能会引起热效应和谐振频率偏移从而降低设备性能。
研究创新
图1 准PT对称激光器。
图1描述了准PT对称激光器的示意图。它由两个耦合的非对称激光波导组成。β为传播常数，κ代表模式间的耦合。其中主势阱的高阶模式和伴侣势的第一模式是相互耦合的。主势（波导）相比之下具有更大的横截面积以提供更高的输出功率。在设计中，伴侣势仅支持一种模式，该模式具有与主波导的二阶模式相同的传播常数。因此主势的二阶模式与伴侣势的基模之间可以实现共振相互作用，从而建立准或模态PT对称性。谐振模式之间的相互作用扩大了组合系统高阶模式的有效体积，同时保持基模的体积不变。因此，通过主波导中的电流注入进行选择性泵浦可以为基模提供更高的模态增益，该主电泵浦可以充当模态滤波器，从而有效滤除高阶模并在单模状态下实现激光发射。
图2 设备制造。
基于图2所示的边发射平台实现准PT对称激光器，其中衬底和量子阱材料分别为GaAs和InGaAs，具有Al-GaAs光学腔。其中R和S分别为1.10 μm和3.2 μm，中心波长为975 nm。
图3 参数优化。Wm= 7.5 µm。Design I: Wp= 1.9 µm, Design II: Wp= 2.1 µm, Design III: Wp= 1.7 µm。
为了实现伴侣波导的基模和主波导的二阶模式之间的准PT对称性，作者进行了最佳宽度的寻找，如图3所示。主波导的宽度约为Wm= 7.5 µm，仅支持TE0和 TE1模式。Wp相应最佳值为 1.9 µm（design I），该波导仅支持 TE0模式。电场剖面显示出设计I具有更好的耦合特性。
图4 设备的光电流曲线和M2参数曲线。
图4a展示了四种设备的总输出功率情况，他们几乎具有相同的光子转换效率。另一方面，图4b绘制了M2参数的测量值，该参数将光束质量量化为总输出功率的函数。在低功率下，单波导和设计III的光束质量最差。随着功率增加到 150 mW 以上，直至500 mW，除最佳器件I外，所有设计的光束质量因数都会迅速下降。值得注意的是，即使在400 mW的输出功率水平下，器件I相关的光束品质因数M2仍然接近于一。相比之下，单波导器件的M2约为1.75。随着功率水平增加到大约500 mW或更高，单波导的光束质量变得与设备I相当，均优于设计II和III。
得到的几种设备于不同激光输出功率下，发射光束的近场和远场分布，如图5所示。在接近激光阈值（35 mW） 的低功率下，单波导情况下的近场显示出与理想高斯光束分布较大的偏差。此外，所有PT对称激光器均在35 mW的输出功率下产生单模近场。在400 mW的功率下，会检测出来自伴侣波导的二次发射。可以看出最优设计I与高斯分布的偏差最小。
图5 近场和远场发射剖面。
该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Single-mode quasi PT-symmetric laser with high power emission”。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01175-6
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