Lasere, der skulle være skalerbare til vilkårligt høje kræfter og samtidig bevare deres frekvensrenhed, er blevet produceret af forskere i USA. Deres opfindelse, som er afhængig af en analog til elektronernes fysik i en Dirac-halvleder såsom grafen, løser et problem, der går tilbage til laserens opfindelse. Forskerne mener, at deres arbejde også kunne inspirere til fundamentale teoretiske opdagelser inden for kvantemekanik i makroskopiske skalaer.
Enhver laser består grundlæggende af to væsentlige komponenter: et hulrum og et forstærkningsmedium - normalt en halvleder, forklarer Boubacar Kanté fra University of California, Berkeley - seniorforfatter til et papir, der vil blive vist i Natur beskriver laserne. "Halvlederen udsender et bredt spektrum af frekvenser, og hulrummet vælger, hvilken frekvens der skal forstærkes for at nå lasertærsklen."
Problemet er, at ethvert hulrum vil understøtte ikke bare en grundtilstands "fundamental" frekvens af en laser, men også flere højfrekvente exciterede tilstande. At pumpe hulrummet hårdere for at øge laserens kraft har uundgåeligt en tendens til at excitere disse højere frekvenstilstande mod lasertærsklen. Lasere med højere effekt har brug for større hulrum, men disse understøtter et tættere spektrum af frekvenser.
Ingen vidste, hvad de skulle gøre ved det
"Hvis gevinsten kun overlapper med det fundamentale, så vil kun det fundamentale tabe, og folk laver nanolasere hele tiden uden problemer," siger Kanté. "Men hvis den højere ordens tilstand kommer tæt på, kan du ikke skelne mellem de to, og de vil begge lase. Dette er et seks årtier gammelt problem: alle ved det, og ingen ved, hvad de skal gøre ved det."
Indtil nu, altså. Hvis den fundamentale hulrumstilstand var i stand til at absorbere al energien fra forstærkningsmediet, ræsonnerede forskerne, ville alle højere ordens tilstande blive undertrykt. Problemet i et konventionelt laserhulrum er, at grundtilstandsbølgefunktionen er på sit maksimum i midten af hulrummet og falder til nul mod kanterne. "I enhver overfladeemitterende laser eller ethvert hulrum, som vi kender til dato ... er der ingen lasering [ved den grundlæggende frekvens] fra kanten," forklarer Kanté; ”Hvis der ikke er nogen lasering fra kanten, har du en masse gevinst til rådighed der. Og på grund af det lever anden-ordens tilstand på kanten, og meget snart bliver laseren multimode."
For at omgå dette problem brugte Kanté og kolleger fotoniske krystaller. Det er periodiske strukturer, der ligesom elektroniske halvledere har "båndgab" - frekvenser, hvor de er uigennemsigtige. Ligesom grafen i elektronik indeholder fotoniske krystaller generelt Dirac-kegler i deres båndstrukturer. I toppen af en sådan kegle er Dirac-punktet, hvor båndgabet lukker.
Sekskantet fotonisk krystal
Forskerne designede et laserhulrum indeholdende et sekskantet fotonisk krystalgitter, der var åbent ved kanterne, hvilket tillod fotoner at lække ind i rummet omkring krystallen, hvilket betyder, at bølgefunktionen ikke var begrænset til at være nul ved dens kant. Den fotoniske krystal havde et Dirac-punkt ved nul momentum. Da momentum er proportional med bølgevektoren, var bølgevektoren i planet derfor nul. Dette betyder, at hulrummet faktisk understøttede en tilstand, der var enkelt vurderet over hele gitteret. Forudsat at hulrummet blev pumpet med energien fra denne tilstand, gik ingen energi nogensinde ind i nogen anden tilstand, uanset hvor stort hulrummet er. "Fotonen har intet momentum i planet, så det eneste, der er tilbage, er, at den kan undslippe lodret," forklarer Kanté.
Forskerne fremstillede hulrum bestående af 19, 35 og 51 huller: "Når du ikke pumper ved Dirac-frekvensens singularitet, ser du lasering ved flere toppe," siger Kanté. "Ved Dirac-singulariteten bliver det aldrig multimode. Den flade tilstand fjerner forstærkning for tilstande af højere orden." Teoretisk modellering tyder på, at designet skal fungere selv for hulrum, der indeholder millioner af huller.
Topologisk kilde udsender lys med høje og multiple orbitale vinkelmomenter
I fremtiden mener Kanté, at de koncepter, der er udviklet af hans team, kan have implikationer i selve elektronikken og for kvantemekanikkens skalerbarhed til den makroskopiske verden mere generelt. "Al udfordringen inden for kvantevidenskab er skalering," siger han. "Folk arbejder på superledende qubits, fangede atomer, defekter i krystaller ... det eneste, de ønsker at gøre, er skalering. Min påstand er, at det har at gøre med Schrödinger-ligningens grundlæggende natur: når systemet er lukket, skalerer det ikke; hvis man vil have systemet til at skalere, skal systemet have tab,” siger han.
Liang Feng fra University of Pennsylvania tilføjer: "Single-mode bredområdelaseren er en af de hellige grale, der aktivt forfølges af halvlederlasersamfundet, og skalerbarhed er den mest kritiske fordel". "[Kantés arbejde] demonstrerer lige, hvad folk leder efter, og det demonstrerer enestående skalerbarhed understøttet af fremragende eksperimentelle resultater. Der skal naturligvis gøres mere arbejde for at transformere denne strategi, demonstreret i optisk pumpede lasere, til levedygtige elektrisk injicerede diodelasere, men vi kan forvente, at dette arbejde vil inspirere til en ny generation af højtydende lasere, der kan gavne flere spilskiftende industrier som virtuelle og augmented reality-systemer, LiDAR'er, forsvar og så mange andre, hvor lasere spiller kritiske roller."
Holdet har døbt sin enhed Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) og beskriver den i en uredigeret forhåndsvisning af deres papir som i øjeblikket er tilgængelig på Natur internet side.
