美国斯坦福大学范汕洄教授团队建立了一套面向可规模化光子晶体面发射激光器（PCSEL）的普适腔体设计理论框架，并据此提出一种"准平坦（quasi-flat）"腔体新方案，使大面积单模激射所需的多项相互制约条件得以被同时满足。该研究成果发表于Light: Science & Applications。
在高功率半导体激光器研究领域，如何在不断扩大出光面积、提升输出功率的同时维持单模运转，是实现高亮度激光光源、推动激光加工、远距离自由空间光通信乃至空间激光推进等应用的关键。
研究亮点
研究团队首次在PCSEL中将差分模式损耗与模式竞争两种物理机制统一处理，建立了用于可规模化PCSEL设计的普适理论框架。该框架给出理想大面积腔体应同时具备的设计准则：随面积增大基模与高阶模的阈值差应仅缓慢减小；基模的空间分布应尽可能均匀；同时腔体应保持较高的面发射效率。
基于这一框架，研究团队提出了"准平坦"腔体设计。不同于以往对整个光子晶体进行调控的思路，该方案保持中心均匀体区不变，仅对包围体区的外围边界进行工程化设计。通过对包层结构的精心调控，基模在有源区内呈现近乎平坦的空间分布。
仿真结果表明，该设计相比相同尺寸的传统腔体可将基模与高阶模之间的阈值差提升达数个量级。由于仅作用于腔体边界、而不改动中心光子晶体结构，因此与现有PCSEL设计天然兼容。
该设计原理亦有望推广至垂直腔面发射激光器（VCSEL）、分布反馈激光器等其他激光腔体，为高功率单模激光光源的设计与实用化开辟新的可能。
内容来源：中国光学
