Наскоро екип, ръководен от професорите Zhang Xinzheng, Chen Zhigang и Xu Jingjun от Факултета по физически науки към университета Nankai, в сътрудничество с професор Irena Drevenšek Olenik от института Stefan в Словения, демонстрира за първи път кръгово поляризиран гъвкав топологичен вертикален{0}}повърхностен{1}}излъчващ лазер (VCSEL) с висока ефективност на лазерно преобразуване. Резултатите от изследването, озаглавени „Повърхностно излъчващи лазери с топологична вертикална кухина на базата на мека-материя“, бяха публикувани в Light: Science & Applications и избрани като заглавна статия за втория брой.
Този топологичен VCSEL се основава на-едномерна оптична суперрешеткова структура, съставена от полимерен холестеричен течнокристален (PCLC) филм със завъртане-, покрит с флуоресцентна усилваща среда и търговски филм Mylar. Свръхрешетката разполага с модулиран потенциален кладенец, който нарушава симетрията на инверсията, аналогично на изолаторите на Семенов и ефекта на Хол на квантовата долина в дву-измерното пространство на синтетични параметри. Те демонстрират, че този топологичен VCSEL поддържа отлично едно-режимно лазерно излъчване при ниски мощности на помпата. За отбелязване е, че този тънко{7}}слоен топологичен VCSEL предлага изключително ниски производствени разходи, не изисква сложни производствени техники, може лесно да се интегрира върху субстрати с всякаква форма и запазва желаните си лазерни характеристики и способност за управление на лъча дори след множество завои.
С непрекъснатия напредък на оптичните информационни технологии и нарастващото търсене на миниатюризация, олекотен дизайн и интеграция във фотонни чипове, разработването на лазери върху-чипове привлече все по-голямо внимание. Настоящите лазери на-чипове обаче все още са изправени пред значителни предизвикателства, включително ниска изходна мощност и лоша стабилност. Топологично защитените лазери предлагат ефективен дизайнерски подход за постигане на висока стабилност и нисък праг на-чип лазери. Въпреки това, ограничено от полупроводникови материали, производството на повечето топологични VCSEL в момента изисква сложни и прецизни процеси. Техните дължини на вълните на генерация са предимно ограничени до близката-инфрачервена лента и те притежават фиксирани геометрии, неспособни на транслационно управление на лъча. Следователно разработката с ниски{9}}разходи на механично гъвкави,-поддържащи поляризация и леки върху{11}}чип топологични VCSEL, използващи материали от мека материя и нови принципи, притежава значителна теоретична и практическа стойност.
Фундаментален конструктивен принцип и пространство на параметрите на синтез на едно-измерни гъвкави оптични свръхрешетки
По време на изследването екипът първо наслагва Mylar филми с две различни дебелини с PCLC тънки филми, за да образува едно-измерна бинарна оптична свръхрешеткова структура, която нарушава пространствената инверсионна симетрия. Чрез въвеждане на модулация на коефициента на свързване за конструиране на пространство на синтетични параметри, те изясниха разликата в топологичните свойства между суперрешетките AB и BA с хетеро-местни потенциали, аналогично на ефекта на Хол на квантовия долин в дву-измерни шестоъгълни решетки. Впоследствие те съединиха AB и BA суперрешетки с различни топологични свойства-едната включваща еднакво свързване, а другата с хетеро{6}}потенциал на място-, за да генерират топологично защитени състояния на интерфейса. Тези състояния на интерфейса показват висока локализация в границите на лентата и демонстрират устойчивост срещу структурно разстройство, осигурявайки идеален режим на оптична кухина за лазерни трептения. Експериментално екипът изработи гъвкаво лазерно устройство със 17 слоя чрез въртене-покриване на усилващото багрило PM597 върху PCLC тънкослойна повърхност. При 532 nm импулсно лазерно изпомпване устройството постигна кръгово поляризиран топологичен лазерен изход с лява-ръка при 575,4 nm с нисък праг от 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), показвайки ефективност на наклона от 4,0%. Лазерният лъч показва отлична насоченост, като пространственото му разпределение е силно съгласувано с формата на петното на помпата, което демонстрира потенциални приложения при предаване на изображения и дисплей. Освен това, чрез фиксиране на посоката на лазера на помпата, докато огъване и преместване на филма отдолу нагоре, светлината на помпата освети пет отделни области (I-V) на пробата, карайки излъчения лазер да се движи последователно отдолу нагоре върху оптичния екран. Регулирането на радиуса на кривината на VCSEL филма допълнително контролира ъгъла на насочване на лъча. Това свойство позволява на топологичния VCSEL да излъчва лазерна светлина под множество ъгли, без да върти лазерното устройство. Трябва да се отбележи, че топологичният VCSEL проявява термична стабилност, поддържайки първоначалната си лазерна производителност дори след продължително изпомпване. Тези характеристики позволяват интегриране с различни носими фотонни устройства за приложения като дисплеи за носене, електронна защита от -фалшифициране и лазерно сканиране.
Демонстрация на приложението на гъвкав топологичен VCSEL
Тази работа е проведена предимно в университета Нанкай. Постдокторантът Wang Yu и професор Xia Shiqi от университета Nankai са съ-първите автори, докато професорите Zhang Xinzheng, Chen Zhigang и Xu Jingjun са съответните автори. Изследването получи подкрепа от Националната ключова научноизследователска и развойна програма на Китай, Националната фондация за природни науки на Китай, Ключовия проект на Фондацията за естествени науки в Тиендзин, Китайската постдокторска научна фондация и Словенската агенция за научни изследвания.
Преведено с DeepL.com (безплатна версия)
