光学腔体技术突破实现可调谐光子晶体激光器

由华沙大学、波兰军事科技大学和克莱蒙奥弗涅大学帕斯卡研究所研究人员组成的团队证实，将自组织胆甾相液晶（CLC）嵌入光学微腔可实现可调谐光子晶体。这一发现有望推动激光技术和拓扑光子态的发展。

研究人员发现，当CLC被嵌入平面微腔时，会自发形成均匀平躺螺旋结构。这种螺旋结构可产生一种可通过外加电场调谐的一维偏振相关光子晶体。

均匀平躺螺旋是由分子层构成的螺旋结构，各层分子取向呈渐进扭转形成螺旋构型。螺旋的螺距（即分子完成360°扭转的距离）决定了该分子的多种光学特性。

研究人员通过将胆甾相液晶（CLC）嵌入平面微腔，成功研制出一种具有强偏振依赖性的一维可调谐光子晶体，其特性可通过外加电场进行调控

“胆甾相液晶的均匀平躺螺旋（ULH）结构在光学腔内有序排列，”Jacek Szczytko教授解释道，“这种自组织螺旋结构的轴向与腔体平面平行，起到一维周期性光子晶格的作用，这得益于液晶的独特性质。”

螺旋轴向垂直于均匀平躺螺旋的分子层面。在适当光照条件下，研究人员沿垂直于轴向的方向观察该结构，发现宽度等于螺距的清晰条纹。

“利用对电场响应的液晶材料，我们能精确调控螺距从而控制光子能带结构，这为光子工程开辟了新前景。”Szczytko表示。

光学微腔通过限制光的一维运动实现对螺旋螺距的调控，使光子表现出类似质量粒子的特性。在微腔中，静止质量为零的光子开始呈现类质量粒子行为。通过引入与螺旋跃迁周期相关的空间光子势，可进一步操控这些特性。

施加在光子晶体上的电压可调控CLC分子取向，进而改变偏振相关周期势的强度。研究证实，均匀平躺螺旋能诱导作用于光子模式的平面内周期势，形成可通过控制CLC分子取向的外加电压调谐的自旋极化晶格能带结构。

当ULH发生倾斜时，会诱导晶格能带间的自旋轨道耦合。这种带间自旋轨道耦合类似于旋光效应，可视为一种合成的非阿贝尔规范势。研究表明，当两个腔模达到共振时，光子自旋轨道耦合能有效连接不同宇称的周期势能带。

通过在微腔中引入染料分子，研究人员展示了该平台实现兼具CLC微腔所有可调特性的双偏振与圆偏振激光输出的能力。

“年来科学家一直在研发调控光物相互作用特性的纳米/微米结构，”研究员Marcin Muszynsk指出，“但传统光子晶体制备技术存在诸多缺陷，其制造工艺复杂、成本高昂且耗时。我们的工作解决了这些问题，自组织结构表面积可达数百平方微米，且通过电场调控液晶分子取向，能动态控制微腔捕获光子的能带结构。”

该研究成果为拓扑光子学和激光技术发展奠定了基础。“我们的研究目标是探索光如何在保持其独特性质的同时，获得通常归属于物质的特。”Szczytko总结道。