[发明专利]一种从有机晶体微腔中的拓扑谷发射的螺旋激子极化激元激光器

说明书

在这项发明中，我们展示了基于特定的局部非平凡带几何形状的有机各向异性微晶腔的拓扑谷的螺旋激子极化激元激光。拓扑光子学为开发具有强大的无损光传输和可控螺旋度的光子器件提供了重要平台。将光子与激子(或激子极化激元激光)混合会产生具有手性模式的非平凡激子极化激元激光能带，从而允许在强耦合光物质系统中操纵螺旋激光器。这种激子极化激元激光激光器沿不同的角度方向发射不同螺旋度的激光。通过非线性弛豫过程实现了显著增强的手性特性。螺旋拓扑激子极化激元激光激光器可以为探索涉及光物质相互作用的新拓扑现象和基于激子极化激元激光的自旋电子器件的开发提供一个完美的平台。

技术领域

本发明涉及一种从有机晶体微腔中的拓扑谷发射的螺旋激子极化激元激光器，属于有机垂直激光器领域。

技术背景

几十年前，已经引入拓扑和拓扑不变量的概念来描述物理系统的属性。一个引人注目的结果是，带隙Bloch带的拓扑特征保证了边缘模式的存在，该模式可以是单向的，从而提供了电子或光子传输不受缺陷和无序等扰动的可能性。另一个重要的结果是连接Berry曲率和角动量之间的关系，这可以表现为自旋谷锁定，在过渡金属二硫化物中最为人所知。拓扑效应已在一系列物理系统中得到证明，例如二维电子气、冷原子、力学、微波、和光学系统。拓扑光子学诞生于2008年，当时使用具有破坏的时间反转对称性的光子晶体板在微波范围内预测并实现了量子反常霍尔效应的模拟。基于量子伪自旋霍尔效应的二维周期系统中的拓扑边缘状态随后被广泛实施。在最后一种情况下，边缘或界面上的传播方向与伪自旋相关联，伪自旋可以是与光的偏振或谷态有关。量子伪自旋霍尔效应更容易实现，缺点是只有当伪自旋转换被对称性禁止时才能确保“保护”，这在实践中很难针对随机无序散射实现。除了边缘态的存在和性质之外，体带的非平凡拓扑结构也被直接使用，通过激发和研究交错蜂窝光子晶体中的谷极化状态。

最近，激子激子极化激元在平面半导体微腔中已成为拓扑光子学的新平台。激子极化激元是混合玻色子，源自激子和腔光子的强耦合。这种共生的部分光部分物质粒子的激子成分允许强粒子间相互作用，从而产生强光学非线性。室温激子极化激元操作，例如激子极化激元可以使用大带隙半导体(GaN、ZnO)或有机物实现激光发射。极化激元量子反常霍尔效应已被预测并在光波长和低温下观察到。它基于耦合微腔柱的蜂窝晶格的使用以及基于TE和TM光子模式的固有手性和激子塞曼分裂的光子自旋轨道耦合(SOC)的组合，从而打破了时间反转对称。拓扑激子极化激元学中首次取得的另一个突破是拓扑激光的概念，微腔提供的另一个重要可能性是波函数和能带几何形状和拓扑结构的直接测量。在裸二维平面空腔中，每个受限模式形成大量准粒子的极化双峰。TE-TM的SOC为这两条抛物线提供不同的质量，它们在k＝0时接触，它们都带有相反电荷(±1)的Berry曲率单极子。线性双折射将两条抛物线分开，它们现在是线性的在二维动量空间中的2个离散点处交叉，显示两个倾斜的狄拉克锥(谷)，每个都携带拓扑电荷±1/2。在这种情况下，激子塞曼分裂可以消除狄拉克点的简并，导致出现具有相同圆极化、相同手性和相同质量的两个谷。在这种情况下，两个谷显示出相反的手性(相反的Berry曲率和谷陈数)和相反的圆极化，如参考文献中的实验所示。

从应用的角度来看，圆偏振激光器在纳米光子学、量子光学、和生物物理学方面引起了极大的关注。有机圆偏振激光器的报道主要集中在有机手性分子或螺旋微结构上。然而，在耗时的分子合成中存在一些困难，并且通常在左旋或右旋螺旋材料中观察到单螺旋激光发射。值得注意的是，拓扑波导自然支持沿着单独的单向通道的螺旋度相关的光传输。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种从有机晶体微腔中的拓扑谷发射的螺旋激子极化激元激光器的制备方法。

本发明的技术方案具体如下：