《Light-Science & Applications》：Soft-matter-based topological vertical cavity surface emitting lasers
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本文报道了一种基于聚合物化胆甾相液晶（PCLC）和聚酯薄膜构建的一维光学超晶格，通过类比二维Semenov绝缘体和量子能谷霍尔效应，首次实现了结构柔性、低阈值（1.5 MW·cm-2）、圆偏振拓扑垂直腔面发射激光器（VCSEL）。该激光器在弯曲状态下仍能保持稳定的激光输出和光束定向控制，为可穿戴光电子器件和激光显示技术提供了新材料平台。
在光子学领域，拓扑绝缘体激光器因其具有拓扑保护边界态而备受关注，能够实现抗干扰、高效率的激光发射。然而，现有的拓扑垂直腔面发射激光器（VCSEL）大多基于半导体增益介质和刚性衬底，难以满足可穿戴设备、柔性显示等领域对激光器柔性和可集成性的需求。胆甾相液晶（CLC）作为一种软物质材料，具有自组装形成一维光子晶体的特性，但其流体特性限制了在高功率泵浦下的稳定性。为此，研究人员提出利用聚合物化胆甾相液晶（PCLC）薄膜构建柔性拓扑激光器，以兼顾拓扑保护特性和机械柔韧性。
本研究通过将PCLC薄膜与不同厚度的聚酯薄膜（Mylar）交替堆叠，构建了一维光学超晶格结构。该设计在合成参数空间中类比了二维Semenov绝缘体的能带特性，通过调制不同厚度Mylar薄膜对应的光学量子阱中的势能，实现了拓扑非平庸的界面态。研究团队采用旋涂Pyrromethene 597（PM597）染料作为增益介质，无需复杂的光刻或蚀刻工艺，即可制备出柔性、自支撑的拓扑VCSEL。
关键技术方法包括：基于摩擦取向技术制备具有垂直螺旋轴的PCLC薄膜；通过堆叠不同厚度的Mylar薄膜（3μm和4μm）与PCLC薄膜构建光学超晶格；使用532nm脉冲激光泵浦并通过光谱仪和光束分析系统表征激光性能。
构造基于合成参数空间的一维柔性拓扑VCSEL
研究团队通过将PCLC薄膜作为光学势垒、Mylar薄膜作为光学势阱，构建了等效于一维双原子链的光学超晶格。通过调节Mylar薄膜的厚度，实现了对格点势能的调制，类似于Semenov绝缘体中的质量项调制。理论计算表明，当两种格点势能不同的超晶格（AB型和BA型）拼接时，会在界面处产生拓扑保护的界面态（TIS）。
软物质基拓扑VCSEL中的拓扑界面态
实验采用3μm和4μm厚度的Mylar薄膜分别作为A、B格点，构建了AB型和BA型超晶格。传输谱和微能带结构计算表明，在575.4nm波长处出现拓扑界面态，该态由体态演化而来并位于微能带隙中。通过扫描电镜验证了多层薄膜堆叠的平整性和周期性结构。
软物质基拓扑VCSEL的激光特性
实验测得拓扑界面态激光的阈值为0.47μJ（1.5 MW·cm-2），斜率效率达4.0%，发射波长为575.4nm，半高宽为0.13nm。激光具有良好的左旋圆偏振特性，其空间分布与泵浦光斑形状一致。通过光束分析仪测得激光发散角为3°，表明其具有优良的方向性。
柔性拓扑VCSEL的两个应用示例
研究展示了该激光器在光束定向和图案投影方面的应用潜力。通过将样品弯曲成圆柱面并移动泵浦位置，实现了激光束的定向控制；利用掩模版成像，成功将"NK"图案投影于屏幕，证明了其在激光显示领域的应用前景。
本研究成功实现了基于软物质材料的拓扑VCSEL，其创新性在于将拓扑光子学与柔性光电子技术相结合。通过光学量子阱的量子尺寸效应调控格点势能，利用合成参数空间理论阐释了拓扑界面态的形成机制。该激光器具有低阈值、圆偏振、柔性可弯曲等优势，且制备工艺简单、成本低廉，为拓扑光子器件在可穿戴设备、激光显示等领域的应用开辟了新途径。未来可进一步探索二维软物质拓扑激光器，如基于摩尔晶格的光学涡旋激光等方向。
