Äskettäin Nankain yliopiston fysiikan korkeakoulun professorien Zhang Xinzhengin, Chen Zhigangin ja Xu Jingjunin johtama tiimi yhteistyössä professori Irena Drevenšek Olenikin kanssa Stefan-instituutista Sloveniasta on esitellyt ensimmäistä kertaa ympyräpolarisoidun joustavan topologisen korkean vertikaalisen CS-pinnan EL{0} lasermuunnostehokkuus. Tutkimustulokset, joiden otsikko on "Soft-Matter-Based Topological Vertical Cavity Surface Emitting Lasers", julkaistiin Light: Science & Applications -lehdessä ja valittiin toisen numeron kansiartikkeliksi.
Tämä topologinen VCSEL perustuu yksi-optiseen superhilarakenteeseen, joka koostuu polymeerikolesterisen nestekide (PCLC) -kalvon spin-josta, joka on päällystetty fluoresoivalla vahvistusväliaineella, ja kaupallisesta Mylar-kalvosta. Superhilassa on moduloitu potentiaalikaivo, joka katkaisee inversiosymmetrian, analogisesti Semenov-eristimien ja kvanttilaakson Hall-ilmiön kanssa kaksiulotteisessa synteettisessä parametriavaruudessa. Ne osoittavat, että tämä topologinen VCSEL ylläpitää erinomaisen{5}}yksimuotoisen lasersäteilyn pienillä pumpputehoilla. Tämä ohut{7}}kalvotopologinen VCSEL tarjoaa erittäin alhaiset tuotantokustannukset, ei vaadi monimutkaisia valmistustekniikoita, se voidaan helposti integroida minkä tahansa muotoisille alustoille ja säilyttää halutut laserominaisuudet ja säteen ohjauskykynsä jopa useiden mutkien jälkeen.
Optisen tietotekniikan jatkuvan kehityksen ja miniatyrisoinnin, kevyen suunnittelun ja fotonisirujen integroinnin kasvavan kysynnän ansiosta on-sirulasereiden kehittäminen on saanut yhä enemmän huomiota. Nykyisillä-sirulasereilla on kuitenkin edelleen merkittäviä haasteita, kuten alhainen lähtöteho ja huono vakaus. Topologisesti suojatut laserit tarjoavat tehokkaan suunnittelutavan, jolla saavutetaan korkea vakaus ja matala kynnys-sirulasereissa. Puolijohdemateriaalien rajoittamana useimpien topologisten VCSEL:ien valmistus vaatii kuitenkin tällä hetkellä monimutkaisia ja tarkkoja prosesseja. Niiden laseraallonpituudet rajoittuvat ensisijaisesti lähi-infrapunakaistaan, ja niillä on kiinteä geometria, joka ei pysty ohjaamaan translaatiosädettä. Siksi mekaanisesti joustavien, polarisaatiota{10}}ylläpitävien ja kevyiden -sirujen topologisten VCSELien alhaisella-kehityksellä, jossa käytetään pehmeän aineen materiaaleja ja uusia periaatteita, on merkittävää teoreettista ja käytännöllistä arvoa.
Perusrakenneperiaate ja yhden{0}}ulotteisen joustavien optisten superhilojen synteesiparametriavaruus
Tutkimuksen aikana ryhmä pinoi ensin kaksi eripaksuista Mylar-kalvoa PCLC-ohutkalvoilla muodostaen yksiulotteisen binaarisen optisen superhilarakenteen, joka rikkoo spatiaalisen inversiosymmetrian. Ottamalla käyttöön kytkentäkerroinmodulaation synteettisen parametriavaruuden rakentamiseksi, he selvittivät topologisten ominaisuuksien eroa AB- ja BA-superhilojen välillä, joilla on hetero-sivustopotentiaali, analogisesti kvanttilaakson Hall-ilmiön kanssa kaksiulotteisessa kuusikulmaisessa hilassa. Myöhemmin ne yhdistettiin AB- ja BA-superhiloihin, joilla oli erilaiset topologiset ominaisuudet, -toisessa on sama kytkentä ja toisessa hetero-sivustopotentiaali- topologisesti suojattujen rajapintatilojen luomiseksi. Nämä rajapintatilat osoittavat suurta lokalisaatiota bandgapissa ja osoittavat kestävyyttä rakenteellisia häiriöitä vastaan, mikä tarjoaa ihanteellisen optisen ontelotilan laservärähtelylle. Tiimi valmisti kokeellisesti joustavan laserlaitteen, jossa oli 17 kerrosta spin{11}}pinnoittamalla vahvistusväriaine PM597 PCLC-ohutkalvopinnalle. 532 nm:n pulssilaserpumppauksella laite saavutti vasenkätisen ympyräpolarisoidun topologisen lasertehon aallonpituudella 575,4 nm niinkin alhaisella kynnyksellä kuin 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), ja kaltevuustehokkuus oli 4,0 %. Lasersäteen suuntaavuus on erinomainen, ja sen tilajakauma on erittäin yhdenmukainen pumpun pisteen muodon kanssa, mikä osoittaa mahdollisia sovelluksia kuvansiirrossa ja näyttämisessä. Lisäksi kiinnittämällä pumpun lasersuunnan taivuttamalla ja siirtämällä kalvoa alhaalta ylös, pumpun valo valaisi viisi erillistä aluetta (I-V) näytteestä, mikä sai emittoidun laserin liikkumaan peräkkäin alhaalta ylös optisella näytöllä. VCSEL-kalvon kaarevuussäteen säätö säätelee edelleen säteen ohjauskulmaa. Tämä ominaisuus mahdollistaa topologisen VCSEL:n lähettävän laservaloa useissa kulmissa laserlaitetta kiertämättä. Erityisesti topologisella VCSEL:llä on lämpöstabiilisuus, mikä säilyttää alkuperäisen lasersuorituskykynsä myös pitkän pumppauksen jälkeen. Nämä ominaisuudet mahdollistavat integroinnin erilaisten puettavien fotonilaitteiden kanssa sovelluksiin, kuten puetettaviin näyttöihin, elektroniseen väärentämisen torjuntaan ja laserskannaukseen.
Joustavan topologisen VCSEL:n sovellusesittely
Tämä työ tehtiin pääasiassa Nankain yliopistossa. Tohtoritutkija Wang Yu ja professori Xia Shiqi Nankain yliopistosta ovat ensimmäisiä kirjoittajia, kun taas professorit Zhang Xinzheng, Chen Zhigang ja Xu Jingjun ovat vastaavat kirjoittajat. Tutkimusta tukivat Kiinan kansallinen tutkimus- ja kehitysohjelma, Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö, Tianjinin luonnontieteiden säätiön avainhanke, Kiinan posttohtorisäätiö ja Slovenian tutkimusvirasto.
Käännetty DeepL.com-sivustolla (ilmainen versio)
