基于零折射率材料的多路径正反馈机制的高效率纳米激光器
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1.铁道警察学院;2.山西大同大学;3.同济大学

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基金项目:

国家自然科学基金项目(面上项目,重点项目,重大项目)


High-efficiency nano-level laser based on multipath positive feedback mechanism of matching zero-index metamaterials
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1.Railway Police College;2.Shanxi Datong Universit;3.Tongji University

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    摘要:

    对于传统的 Fabry-Perot 腔激光器,光子在增益介质中沿任意方向传播。在腔内,只有沿着腔的轴线来回震荡的光子,经过足够长的时间后,可以产生激射效应.然而,对于入射方向偏离于反射镜腔壁的光子将从腔中耗散出去,从而导致较低的激射效率。此类激光器的缺点是只能在激射方向上形成正反馈的路径,而对偏离激射方向的光没有约束。 为了解决上述激光器所面临的一些问题,利用等效折射率为负1的负折射材料和零折射率材料组成一个双层结构作为Fabry-Pérot腔壁。当把一个二能级原子放置在腔的任意位置时,由于负折射材料与腔内空气层形成的完美透镜的聚焦效应,对于从原子出发以不同路径入射于腔壁的光子,都可以重新汇聚到原子所在的位置,并最终以微小的光束发散角垂直于腔壁辐射出去。这种多路径正反馈激射系统的实现,有效减少光子在除激射方向外其他角度的损耗,并使电磁场强烈地局域在腔内,从而有效提高激光的输出效率。 随后,通过二维光子晶体阵列分别实现了由 0 与-1 等效折射率光子晶体组成的反射壁。当在腔中引入增益材料时,可以观察到明显的激射效应。激射谱线线宽在阈值上下几乎变窄了一个数量级,这一现象明确地表明了相干的激射行为。与独立的零折射率腔相比较,基于 0 与负 1 等效折射率光子晶体腔的阈值将近降低了一个数量级。 总之,所设计的基于 0 与负 1 等效折射率光子晶体腔提供了一个多路径正反馈机制,避免了光子在偏离激射方向上的耗散;并通过零折射率材料提供了准直效应,使得激射光束的方向性得以有效提高。

    Abstract:

    For the traditional Fabry-Perot cavity applied in Laser, the field perpendicular to cavity wall will be resonantly enhanced until it breaks through the threshold and escapes out of the cavity, while the field emitted obliquely dissipates outside the cavity leading to the low efficiency. Here we propose a high-efficiency laser cavity resorting to metamaterials. Based on the multipath positive feedback mechanism, the photons emitted form atoms in any direction can only leak out of the cavity along one direction, and no photons run out of the cavity which show potential in improving the efficiency. Furthermore, this combination of cavity and atom is almost independent of atom position. In addition, we designed a realistic dielectric micro-structure system made of two-dimensional photonic crystals to confirm our proposal. When the gain medium is introduced in the system, the cavity can provide both a lower lasing threshold and a higher maximum emission intensity, compared with the individual zero-index materials cavity, demonstrating improved lasing efficiency.

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  • 收稿日期:2022-01-29
  • 最后修改日期:2022-04-22
  • 录用日期:2022-04-22
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