Πρόσφατα, μια ομάδα με επικεφαλής τους καθηγητές Zhang Xinzheng, Chen Zhigang και Xu Jingjun από τη Σχολή Φυσικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Nankai, σε συνεργασία με την καθηγήτρια Irena Drevenšek Olenik από το Ινστιτούτο Stefan στη Σλοβενία, επέδειξαν για πρώτη φορά μια κυκλικά πολωμένη εύκαμπτη τοπολογική επιφάνεια{1}{0} (VCSEL) με υψηλή απόδοση μετατροπής λέιζερ. Τα ευρήματα της έρευνας, με τίτλο "Soft-Matter-Based Topological Vertical Cavity Surface Emitting Lasers", δημοσιεύτηκαν στο Light: Science & Applications και επιλέχθηκαν ως εξώφυλλο για το δεύτερο τεύχος.
Αυτό το τοπολογικό VCSEL βασίζεται σε μια-μονοδιάστατη δομή οπτικού υπερπλέγματος που αποτελείται από ένα σπιν μεμβράνης πολυμερούς χοληστερικού υγρού κρυστάλλου (PCLC)-επικαλυμμένο με ένα μέσο κέρδους φθορισμού και ένα εμπορικό φιλμ Mylar. Το υπερπλέγμα διαθέτει ένα διαμορφωμένο φρεάτιο δυναμικού που σπάει τη συμμετρία αντιστροφής, ανάλογο με τους μονωτές Semenov και το φαινόμενο κβαντικής κοιλάδας Hall σε δισδιάστατο συνθετικό χώρο παραμέτρων. Αποδεικνύουν ότι αυτό το τοπολογικό VCSEL διατηρεί εξαιρετική εκπομπή λέιζερ μονής-λειτουργίας σε χαμηλή ισχύ αντλίας. Σημειωτέον, αυτό το τοπολογικό VCSEL λεπτής-μεμβράνης προσφέρει εξαιρετικά χαμηλό κόστος παραγωγής, δεν απαιτεί πολύπλοκες τεχνικές κατασκευής, μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε υποστρώματα οποιουδήποτε σχήματος και διατηρεί τα επιθυμητά χαρακτηριστικά λέιζερ και την ικανότητα διεύθυνσης δέσμης ακόμη και μετά από πολλαπλές στροφές.
Με τη συνεχή πρόοδο της οπτικής τεχνολογίας πληροφοριών και την αυξανόμενη ζήτηση για σμίκρυνση, ελαφρύ σχεδιασμό και ενσωμάτωση σε φωτονικά τσιπ, η ανάπτυξη λέιζερ σε{0}}τσιπ έχει συγκεντρώσει αυξανόμενη προσοχή. Ωστόσο, τα τρέχοντα λέιζερ-τσιπ εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις, όπως χαμηλή ισχύ εξόδου και κακή σταθερότητα. Τα τοπολογικά προστατευμένα λέιζερ προσφέρουν μια αποτελεσματική προσέγγιση σχεδίασης για την επίτευξη υψηλής σταθερότητας και χαμηλού κατωφλίου στα-λέιζερ τσιπ. Ωστόσο, περιορισμένη από υλικά ημιαγωγών, η κατασκευή των περισσότερων τοπολογικών VCSEL απαιτεί επί του παρόντος πολύπλοκες και ακριβείς διαδικασίες. Τα μήκη κύματος λέιζινγκ τους περιορίζονται κατά κύριο λόγο στην εγγύς-υπέρυθρη ζώνη και διαθέτουν σταθερές γεωμετρίες που δεν μπορούν να διευθύνουν τη μεταφορική δέσμη. Επομένως, η ανάπτυξη χαμηλού κόστους-μηχανικά εύκαμπτων, πόλωσης{10}}διατήρησης και ελαφρού βάρους-τοπολογικών VCSEL τσιπ που χρησιμοποιούν υλικά μαλακής ύλης και νέες αρχές έχει σημαντική θεωρητική και πρακτική αξία.
Θεμελιώδης Αρχή Κατασκευής και Παράμετρος Σύνθεσης Χώρος-Μονοδιάστατων εύκαμπτων οπτικών υπερδικτύων
Κατά τη διάρκεια της έρευνας, η ομάδα στοίβαξε αρχικά φιλμ Mylar δύο διαφορετικού πάχους με λεπτές μεμβράνες PCLC για να σχηματίσει μια-μονοδιάστατη δυαδική οπτική υπερδικτυωτή δομή που σπάει τη συμμετρία της χωρικής αντιστροφής. Εισάγοντας τη διαμόρφωση συντελεστή σύζευξης για την κατασκευή ενός συνθετικού χώρου παραμέτρων, διευκρίνισαν τη διαφορά στις τοπολογικές ιδιότητες μεταξύ υπερπλέγματος AB και BA με ετερο-δυναμικά τοποθεσίας, ανάλογα με το φαινόμενο Hall της κβαντικής κοιλάδας σε δύο-εξαγωνικά πλέγματα δύο διαστάσεων. Στη συνέχεια, ένωσαν υπερπλέγματα AB και BA με διαφορετικές τοπολογικές ιδιότητες-το ένα με ίση σύζευξη και το άλλο με ετερο-δυναμικά τοποθεσίας-για τη δημιουργία τοπολογικά προστατευμένων καταστάσεων διεπαφής. Αυτές οι καταστάσεις διεπαφής εμφανίζουν υψηλή εντόπιση εντός του διακενού ζώνης και επιδεικνύουν ανθεκτικότητα έναντι δομικών διαταραχών, παρέχοντας έναν ιδανικό τρόπο λειτουργίας οπτικής κοιλότητας για ταλάντωση λέιζερ. Πειραματικά, η ομάδα κατασκεύασε μια εύκαμπτη συσκευή λέιζερ με 17 στρώσεις με περιστροφή-επικάλυψη της βαφής απολαβής PM597 σε μια επιφάνεια λεπτής μεμβράνης PCLC. Κάτω από παλμική άντληση λέιζερ 532 nm, η συσκευή πέτυχε αριστερό-κυκλικά πολωμένο τοπολογικό λέιζερ έξοδο στα 575,4 nm με όριο τόσο χαμηλό όσο 0,47 μJ (1,5 mW·cm-²), παρουσιάζοντας απόδοση κλίσης 4%. Η δέσμη λέιζερ παρουσιάζει εξαιρετική κατευθυντικότητα, με τη χωρική κατανομή της να συνάδει με το σχήμα της κηλίδας της αντλίας, επιδεικνύοντας πιθανές εφαρμογές στη μετάδοση και την προβολή εικόνας. Επιπλέον, καθορίζοντας την κατεύθυνση του λέιζερ της αντλίας ενώ κάμπτεται και μετακινείται το φιλμ από κάτω προς τα πάνω, το φως της αντλίας φώτισε πέντε διακριτές περιοχές (I-}V) του δείγματος, προκαλώντας το εκπεμπόμενο λέιζερ να κινείται διαδοχικά από κάτω προς τα πάνω στην οπτική οθόνη. Η ρύθμιση της ακτίνας καμπυλότητας του φιλμ VCSEL ελέγχει περαιτέρω τη γωνία διεύθυνσης της δέσμης. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει στο τοπολογικό VCSEL να εκπέμπει φως λέιζερ σε πολλαπλές γωνίες χωρίς να περιστρέφει τη συσκευή λέιζερ. Συγκεκριμένα, το τοπολογικό VCSEL παρουσιάζει θερμική σταθερότητα, διατηρώντας την αρχική του απόδοση λέιζερ ακόμη και μετά από παρατεταμένη άντληση. Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν την ενσωμάτωση με διάφορες φορητές φωτονικές συσκευές για εφαρμογές όπως φορητές οθόνες, ηλεκτρονική καταπολέμηση της απομίμησης-και σάρωση λέιζερ.
Επίδειξη εφαρμογής ευέλικτου τοπολογικού VCSEL
Αυτή η εργασία διεξήχθη κυρίως στο Πανεπιστήμιο Nankai. Ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Wang Yu και ο καθηγητής Xia Shiqi του Πανεπιστημίου Nankai είναι οι πρώτοι συν-συγγραφείς, ενώ οι καθηγητές Zhang Xinzheng, Chen Zhigang και Xu Jingjun είναι οι αντίστοιχοι συγγραφείς. Η έρευνα έλαβε υποστήριξη από το Εθνικό Πρόγραμμα Ερευνών και Ανάπτυξης κλειδιών της Κίνας, το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας, το Βασικό Έργο του Ιδρύματος Φυσικών Επιστημών Tianjin, το Ίδρυμα Μεταδιδακτορικών Επιστημών της Κίνας και τη Σλοβενική Ερευνητική Υπηρεσία.
Μεταφράστηκε με το DeepL.com (δωρεάν έκδοση)
