Само-організація відноситься до явища колективного резонансу, коли окремі елементи спонтанно впорядковуються у впорядковані моделі через внутрішні взаємодії. Однак хаотична багатомодова синхронізація в традиційних напівпровідникових лазерних резонаторах обмежує їх продуктивність у практичних застосуваннях. Топологічна фотоніка, що походить від теорії топологічних станів у фізиці конденсованого середовища, використовує «топологічні інваріанти» для опису зонної структури фотонних кристалів. Цей підхід пропонує нову парадигму для побудови надійних, односпрямованих і високолокалізованих фотонних станів.
Нещодавно команда під керівництвом академіка Чжен Ванхуа з Інституту напівпровідників Китайської академії наук опублікувала новаторську роботу в Laser & Photonics Reviews. Вони успішно спостерігали само{1}}організоване лазерне випромінювання на основі делокалізованих топологічних крайових станів, досягнувши широкомасштабного-високо-когерентного лазерного випромінювання. Цей прорив точно вирішує основне протиріччя традиційних лазерів-взаємне обмеження між високою потужністю та високою когерентністю. -компроміс-часто накладений фізичними обмеженнями звичайних пристроїв. Використовуючи само{9}}механізм синхронізації самоорганізації, якому сприяють делокалізовані топологічні крайові стани та не-ермітову модуляцію, це дослідження зберігає як перевагу високої когерентності, яку надає топологічний захист, так і само{11}}організацію. Одночасно він розширює розподіл енергії за допомогою делокалізації, що зрештою створює інноваційне технічне рішення, яке синергетично оптимізує «потужність-когерентність».
Рисунок 1. Схема само-організованого топологічного лазерного виходу та основні принципи
Починаючи з класичної одновимірної топологічної моделі Su-Schrieffer-Heeger (SSH), дослідницька група використала захист хіральної симетрії структури, щоб модулювати силу зв’язку в решітці SSH, досягаючи делокалізованого розподілу топологічних крайових станів у реальному просторі. Одночасно, завдяки не-ермітовій модуляції на основі електродних структур із візерунками, делокалізовані топологічні крайові стани зберігають домінування над невпорядкованим фоном, демонструючи унікальні шаблони само-організації. Порівняно з фотонно-кристалічними лазерами еквівалентного масштабу, цей топологічний лазер демонструє вищу просторову когерентність, що призводить до нижчих порогів, більш стабільних просторових мод вихідного сигналу та більш високого спекл-контрасту. Крім того, він розширює масштаб просторового розподілу топологічних крайових станів і включає елементи зв’язку з фазовим зсувом для підвищення щільності вихідної оптичної потужності.
Рисунок 2. Схематичний дизайн делокалізованих топологічних крайових станів
Рисунок 3 Порівняння топологічного лазера з експериментами на фотонних кристалах в еквівалентному масштабі
Цей підхід не лише урізноманітнює технічні шляхи для топологічних лазерів, але й узгоджується з тенденцією до проникнення топологічної фотоніки в інтегровані фотонні мікросхеми та високо-ефективні оптичні випромінювачі, що ще більше сприяє практичному застосуванню топологічної фізики у фотоніці. Висновки під назвою «Само-організоване генерування делокалізованого стану завдяки не-ермітовій маніпуляції та кіральній симетрії» було опубліковано в Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202501772). Докторант Чень Цзінсюань і докторант Тан Ченьян з Інституту напівпровідників Академії наук Китаю є спів-першими авторами. Молодий дослідник Ван Мінцзінь та академік Чжен Ванхуа є спів-авторами.
