北京大学马仁敏教授团队 Nature：基于扭曲光子石墨烯晶格中的光学平带的Moiré纳米激光器阵列

微型激光器在现代信息社会的基础设施中发挥着核心作用。超越波长尺度的激光器微型化方面的突破为其广泛应用以及极端光场定位和激光模式工程中的光-物质相互作用研究提供了新的机遇。微型激光研究的最终目标是开发出可重新配置的相干纳米激光阵列，从而同时提高信息容量和功能。然而，由于缺乏可重新配置纳米激光器腔体的合适物理机制，单个腔体或固定阵列中的纳米激光器的展示受到了阻碍。

2023年12月13日，北京大学马仁敏教授团队在Nature 在线发表题为 “ Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization ” 的研究论文，该研究提出并展示了基于扭曲光子石墨烯晶格中的光学平带的Moiré纳米激光器阵列，其中实现了从单个纳米腔到可重构纳米腔阵列的相干纳米化。

本研究制备并演示了基于扭曲光子石墨烯晶格中的光学平带的摩尔纳米激光器阵列（moiré nanolaser arrays）。通过这种阵列可以实现从单个纳米腔体到可重构的纳米腔体阵列的相干纳米激光。本研究观察到同步纳米激光器阵列表现出很高的空间和光谱相干性，涵盖了一系列不同的图案，包括 P 形、K 形和 U 形以及汉字“中”和 “国”。此外，本研究还获得了以空间变化的相对相位发射的纳米激光阵列，从而可以操纵发射方向。本工作为开发可重构有源器件奠定了基础，这些器件有望应用于通信、LiDAR（光探测与测距）、光学计算和成像等领域。

图1. 具有相位锁定功能的可重构摩尔纹纳米激光阵列

一种新型的摩尔纳米激光器阵列，它可以在有源结构中产生任何所需的图案，不仅可以产生激光，而且由于动量空间中能带的平坦性，还可以确保不同的激光光斑是同相的。本研究发现表明：这种方法提供了一种有效的方法来创建能够锁相的可重新配置的纳米激光器阵列，从而使具有不同图案的阵列能够同步纳米激光器(图1)。用远场方向发射和空间分辨光谱中的单模激光证实了摩尔纳米激光器阵列的相干性。此外，本研究还演示了摩尔纳米激光器阵列中的波束控制，其中发射方向由纳米激光器的空间变化的相对相位来控制。

图2. 具有锁相功能的 U 型摩尔纹纳米激光阵列

首先展示了一种具有锁相功能的U型摩尔纳米激光器阵列(图2)。该结构由17个单胞组成，呈U形排列，形成一个腔，其本征模由各单胞的局域偶极平带模叠加而成。图2a-c显示了该装置的扫描电子显微镜(SEM)图像。U形腔的轮廓在图2a中用橙色标记。本研究在室温下用U型泵浦激光光束选择性地激发腔模（cavity mode）。图2d显示了纳米激光器阵列的对数尺度光-光曲线和二阶强度关联函数g⁽²⁾(τ = 0)演化曲线。S形的对数标度光-光曲线表明了从自发辐射到受激辐射的相变，根据量子阈值定义，激光阈值设置为9.8 kW cm⁻²(图2d插图)。当泵浦功率超过阈值时，腔模的线宽急剧减小。纳米激光器阵列(图2d)的g⁽²⁾(τ)表征进一步证实了激光的存在。图2e，f分别给出了U型摩尔纳米激光器阵列在实空间和动量空间的自发辐射方向图。在真实空间中，图案由泵浦激光束的形状决定，由于其较高的局域态密度，单元的中心突出为略亮的斑点(图2e)。相比之下，在动量空间中，辐射均匀分布在成像区域，反映了自发辐射的全方位性质(图2f)。图2k显示了远低于激光阈值的自发辐射光谱。

图3. 相干 P 型和 K 型摩尔纹纳米激光阵列

研究分别使用P形和K形泵浦激光将摩尔纳米激光器阵列重新配置为P形和K形(图3)。在激光阈值以下，P型和K型摩尔纳米激光器阵列的发射图案显示出典型的自发辐射特征，其中实空间图案由泵浦激光光束定义，动量空间图案显示全方位发射(图3a，b和图3h，i)。图3c，d(图3j，k)分别显示了P型(K型)摩尔纳米激光器阵列在实空间和动量空间中的激光发射图案。纳米激光器阵列的同相集体激光也被空间分辨光谱中的单模激光(图3g，n)和远场光束图案中的定向发射(图3d，k)所验证。图3e，f(图3l，m)分别显示了P型(K型)摩尔纳米激光器阵列在实空间和动量空间的模拟发射图案，与实验结果吻合很好。

图4. 相位相关叠加用于波束控制

图4a，b显示了Bloch动量分别位于Γ点和±0.11k₀处的两个摩尔纳米激光器阵列的激光发射图案，其中k₀表示摩尔布里渊区的边长。这些是在Γ-M方向上分别显示0和1节点的基本模式和第一更高模式。图4c，d显示了两个布洛赫动量都以±0.40k₀为中心的阵列的激光发射图案，其中Γ-M方向上的次最近邻纳米激光器具有π相位差。这两个模式在Γ-M方向上具有2个和3个节点，并且可以分别表示为第二和第三更高模式。不同的空间位相导致不同的激光发射方向。图4e-h描绘了这四个模在动量空间中的激光发射模式，其中它们的Bloch动量被清楚地分辨出来。除了短波长分量，第二和第三高模还包含长波分量，动量集中在Γ点和±1/3 x 0.40k₀。这些长波长分量改变了激光发射模式，导致两种模式的强度侧柱更强(图4c，d)。图4i给出了水平方向中心Γ点的四个空间模的角度分辨强度分布，在该点上清楚地显示了有效的转向。通过进行三维全波模拟，本研究计算了图4所示的所有四种模式在真实空间和动量空间的发射模式，这与实验观测结果非常一致。

图5. 排列成汉字“中”和 “国”的相干可重构摩尔纹纳米激光器阵列

为了提高制备的摩尔超晶格的均匀性，本研究将含有超晶格的薄膜粘接在二氧化硅衬底上。这一步骤消除了悬浮膜可能引起的任何变形。通过这一过程，160多个纳米激光被同步控制，以实现具有高空间和光谱一致性的单模激光。由于增加了相干面积，放大的摩尔纳米激光器阵列的发散角仅为3°左右。利用大规模摩尔超晶格的高度均匀性，本研究成功地实现了具有更复杂图案的相干可重构纳米激光器阵列，如图5所示的汉字“中”和“国”。

综上，本研究提出并展示了一种摩尔纳米激光器阵列，它利用平带的叠加特性来创建可重构的有源光子器件。通过对单个摩尔单元格的纳米化验证了平带引起的场局域化，验证了纳米激光阵列在水平和垂直方向上的强场局域化，最终还验证了群折射率大于100的慢光。本研究通过实现各种图案的可重构摩尔纳米激光器阵列，包括P、K和U形状以及汉字“中”和“国”，证明了该方法的有效性，同时保持了高的空间和光谱相干性。此外，通过构造平带局域模式的相变叠加，本研究证明了相控阵纳米激光器能够控制辐射方向。本研究的结果为构建用于通信、计算和光谱学应用的复杂相位阵列纳米激光器提供了有希望的途径。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06789-9