Нещодавно команда під керівництвом професорів Чжан Сіньчжена, Чень Чжигана та Сюй Цзіньцзюня зі Школи фізичних наук Університету Нанкай у співпраці з професором Іреною Древеншек Оленік з Інституту Стефана в Словенії вперше продемонструвала циркулярно поляризований гнучкий топологічний лазер із вертикальним{0}}резонатором-випромінюванням (VCSEL) з високою ефективністю лазерного перетворення. Результати дослідження під назвою «Поверхнево-випромінювальні лазери на основі топологічної вертикальної порожнини-матерії-» були опубліковані в Light: Science & Applications і обрані як титульна стаття для другого випуску.
Цей топологічний VCSEL базується на-вимірній структурі оптичної суперґратки, що складається з полімерної холестеричної рідкокристалічної (PCLC) плівки,-покритої флуоресцентним підсилювальним середовищем, і комерційної лавсанової плівки. Надґратка має модульовану потенціальну яму, яка порушує інверсійну симетрію, аналогічну ізоляторам Семенова та ефекту Холла квантової долини в дво-вимірному просторі синтетичних параметрів. Вони демонструють, що цей топологічний VCSEL підтримує відмінне одномодове-випромінювання лазера за низьких потужностей накачування. Примітно, що цей тонкоплівковий топологічний VCSEL пропонує надзвичайно низькі витрати на виробництво, не вимагає складних технологій виготовлення, його можна легко інтегрувати на підкладки будь-якої форми та зберігає бажані характеристики лазера та здатність керувати променем навіть після кількох згинів.
З безперервним удосконаленням оптичних інформаційних технологій і зростаючим попитом на мініатюризацію, легку конструкцію та інтеграцію в фотонні чіпи розробка лазерів на мікросхемах привертає все більше уваги. Проте сучасні лазери на мікросхемах досі стикаються зі значними проблемами, зокрема низькою вихідною потужністю та низькою стабільністю. Топологічно захищені лазери пропонують ефективний підхід до розробки для досягнення високої стабільності та низького порогу на -чіп-лазерах. Однак, оскільки виготовлення більшості топологічних VCSEL обмежене напівпровідниковими матеріалами, наразі потрібні складні та точні процеси. Їхні довжини хвиль генерації здебільшого обмежені ближнім-інфрачервоним діапазоном, і вони мають фіксовану геометрію, нездатну до поступального керування променем. Таким чином, недорогий-розробка механічно гнучких, поляризаційних-і легких топологічних VCSEL на-чіпі з використанням м’яких матеріалів і нових принципів має значну теоретичну та практичну цінність.
Фундаментальний принцип побудови та простір параметрів синтезу одно-вимірних гнучких оптичних суперграток
Під час дослідження команда спочатку поєднала майларові плівки двох різних товщин із тонкими плівками PCLC, щоб утворити-вимірну подвійну оптичну суперґраткову структуру, яка порушує просторову інверсійну симетрію. Впровадивши модуляцію коефіцієнта зв’язку для побудови синтетичного простору параметрів, вони з’ясували різницю в топологічних властивостях між надгратками AB і BA з гетеро-потенціалами сайтів, аналогічно ефекту Холла квантової долини в дво-вимірних гексагональних ґратках. Згодом вони об’єднали суперґратки AB і BA з різними топологічними властивостями-одну з рівним зв’язком, а іншу — з гетеро-потенціалами сайтів-, щоб створити топологічно захищені стани інтерфейсу. Ці стани інтерфейсу демонструють високу локалізацію в забороненій зоні та демонструють стійкість до структурного розладу, забезпечуючи ідеальний режим оптичної порожнини для лазерних коливань. Експериментально команда виготовила гнучкий лазерний пристрій із 17 шарами шляхом обертання-покриття посилюючого барвника PM597 на поверхню тонкої плівки PCLC. Під дією імпульсного лазерного накачування з довжиною хвилі 532 нм пристрій досягав лівостороннього циркулярно поляризованого топологічного лазера на 575,4 нм із низьким порогом 0,47 мкДж (1,5 мВт·см⁻²), показуючи ефективність нахилу 4,0%. Лазерний промінь демонструє чудову спрямованість, його просторовий розподіл дуже узгоджується з формою плями накачування, демонструючи потенційні можливості застосування для передачі зображення та відображення. Крім того, фіксуючи напрямок лазера накачки під час згинання та переміщення плівки знизу вгору, світло накачки освітлювало п’ять окремих областей (I-V) зразка, змушуючи випромінюваний лазер послідовно рухатися знизу вгору на оптичному екрані. Регулювання радіуса кривизни плівки VCSEL додатково контролює кут повороту променя. Ця властивість дозволяє топологічному VCSEL випромінювати лазерне світло під різними кутами без обертання лазерного пристрою. Примітно, що топологічний VCSEL демонструє термічну стабільність, зберігаючи початкові характеристики лазера навіть після тривалої накачування. Ці характеристики дозволяють інтегруватись із різноманітними переносними фотонними пристроями для таких застосувань, як переносні дисплеї, захист від-електронної підробки та лазерне сканування.
Демонстрація застосування гнучкого топологічного VCSEL
Ця робота в основному проводилася в Нанкайському університеті. Докторант Wang Yu та професор Xia Shiqi з Нанкайського університету є спів-першими авторами, а професори Zhang Xinzheng, Chen Zhigang та Xu Jingjun є співавторами. Дослідження отримало підтримку Національної ключової науково-дослідної програми Китаю, Національного фонду природничих наук Китаю, Ключового проекту Фонду природничих наук Тяньцзіня, Китайського наукового фонду постдокторської освіти та Словенського дослідницького агентства.
Перекладено за допомогою DeepL.com (безкоштовна версія)
