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▌ARMS 在光子晶体激光器研发中的应用
利用显微角分辨光谱系统对PCSEL的发射性质进行表征
光子晶体激光器
PCSEL
显微角分辨荧光光谱
光子能带
半导体激光器
【概述】光子晶体面发射激光器（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）简称光子晶体激光器，因其优异的激光特性而备受关注。该激光器的主要特点是同时兼具高功率的输出和高质量的光束，并具有偏振、片上发射及方向可控等独特的优势（图1），这使其在激光雷达、生物医学检测及集成电路等场景中具有巨大的应用潜力。
近年来， PCSEL 的研究成果不断取得新的突破，日本 Susumu Noda 教授课题组最新报道的最小激光发散角可达 0.05°、输出功率大于 50W [✽] 。PCSEL 没有传统意义上的谐振腔，其优异性能主要来源于其内部的光子晶体，利用光子晶体在布里渊区边界的高对称点（能带边缘）处形成驻波使得态密度增强，并通过布拉格衍射使得特定模式的光形成谐振，最终获得在垂直于光子晶体周期方向的激光输出。基于上述工作原理，在 PCSEL 的研发过程中，获得光子晶体 Γ 点处精细化的能带信息和角分辨荧光（PL）光谱，对优化加工工艺具有重要指导意义。
图2，一种能带边缘型PCSEL的理论光子能带驻波示意图 [✽]
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【样品 & 测试】图3 展示了利用复享光学显微角分辨光谱系统 ARMS 表征 PCSEL 角分辨 PL 光谱的实验结果，a、b分别对应两种不同晶体结构的 PCSEL 样品。从图3a 中可以看到， 样品1 在其能带的 Γ 点（约1006nm ）处测量出具有窄线宽的荧光谱线，接近激射现象。样品2 的角分辨 PL 光谱则显示出手性荧光特性（图3b）。
复享光学研发的 ARMS 是唯一一款可以同时获得空间、动量、能量、偏振和相位等多维度信息的精细化光谱信息的设备，为表征 PCSEL 的角分辨 PL 光谱和能带提供了一种高效的实验方法。 该设备基于光学傅里叶变换（FT-ARS）技术 [✽] ，系统角度（动量）& 波长（频率）分辨率分别优于 0.1° 和 0.2nm，最宽测量波段可覆盖 400~1700nm。在光泵测试过程中，ARMS 可在毫秒级（ms）时间内获得样品的二维角分辨 PL 光谱图像和能带任意点的发射谱线，这使得快速离线检测 PCSEL 的结构质量、发光特性成为可能，为优化加工工艺提供有力参考。此外，ARMS 系统同时支持显微角分辨反射光谱测量，帮助获得 PCSEL 样品的反射信息。
【总结】复享光学的显微角分辨光谱系统 ARMS 可用于表征 PCSEL 的角分辨 PL 光谱、角分辨反射光谱，能够获得样品的能带结构和发射特性，为 PCSEL 的机理研究和器件开发提供了一种高效、快速表征的解决方案。▌
【参考文献】
✽ Yoshida M, Katsuno S, Noda S,;et al. High-brightness scalable continuous-wave
single-mode photonic-crystal laser. Nature (2023). Link
✽ Sakai K, Miyai E, Noda S,;et al. Lasing band-edge identification for a surface-emitting photonic crystal laser. IEEE Journal on Selected Areas in Communications (2005). Link
✽ Zhang Y, Zhao M, Wang J,;et al. Momentum-space imaging spectroscopy for the study of nanophotonic materials. Science Bulletin (2022). Link
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