Laser, die auf beliebig hohe Leistungen skalierbar sein sollen und dabei ihre Frequenzreinheit beibehalten sollen, wurden von Forschern in den USA hergestellt. Ihre Erfindung, die auf einem Analogon zur Physik von Elektronen in einem Dirac-Halbleiter wie Graphen beruht, löst ein Problem, das auf die Erfindung des Lasers zurückgeht. Die Forscher glauben, dass ihre Arbeit auch zu grundlegenden theoretischen Entdeckungen in der Quantenmechanik auf makroskopischer Ebene inspirieren könnte.
Jeder Laser besteht im Wesentlichen aus zwei wesentlichen Komponenten: einem Resonator und einem Verstärkungsmedium – normalerweise einem Halbleiter, erklärt Boubacar Kanté von der University of California, Berkeley – der leitende Autor eines Artikels, der in erscheinen wird Natur Beschreibung der Laser. „Der Halbleiter emittiert einen breiten Frequenzbereich, und der Resonator wählt aus, welche Frequenz verstärkt wird, um die Laserschwelle zu erreichen.“
Das Problem besteht darin, dass jede Kavität nicht nur eine „grundlegende“ Frequenz eines Lasers im Grundzustand unterstützt, sondern auch mehrere angeregte Zustände mit höherer Frequenz. Stärkeres Pumpen des Resonators, um die Leistung des Lasers zu erhöhen, neigt zwangsläufig dazu, diese höherfrequenten Zustände in Richtung der Laserschwelle anzuregen. Laser mit höherer Leistung benötigen größere Hohlräume, aber diese unterstützen ein dichteres Frequenzspektrum.
Niemand wusste, was man dagegen tun sollte
„Wenn sich die Verstärkung nur mit der Grundwelle überschneidet, dann wird nur die Grundwelle lasern, und die Leute stellen die ganze Zeit ohne Probleme Nanolaser her“, sagt Kanté. „Aber wenn der Modus höherer Ordnung in die Nähe kommt, können Sie nicht zwischen den beiden unterscheiden und sie werden beide lasern. Das ist ein sechs Jahrzehnte altes Problem: Jeder kennt es, und niemand weiß, was man dagegen tun kann.“
Bis jetzt, das ist. Wenn die Grundschwingungsmode in der Lage wäre, die gesamte Energie aus dem Verstärkungsmedium zu absorbieren, so die Überlegung der Forscher, würden alle Moden höherer Ordnung unterdrückt. Das Problem bei einem herkömmlichen Laserresonator besteht darin, dass die Wellenfunktion des Grundzustands in der Mitte des Resonators maximal ist und zu den Rändern hin auf Null abfällt. „In jedem oberflächenemittierenden Laser oder jedem Resonator, den wir bisher kennen … gibt es kein Lasern [bei der Grundfrequenz] von der Kante“, erklärt Kanté; „Wenn es kein Lasern von der Kante gibt, haben Sie dort viel Gewinn zur Verfügung. Und deshalb lebt die Mode zweiter Ordnung am Rand, und sehr bald wird der Laser multimodisch.“
Um dieses Problem zu umgehen, verwendeten Kanté und Kollegen photonische Kristalle. Das sind periodische Strukturen, die wie elektronische Halbleiter „Bandlücken“ haben – Frequenzen, bei denen sie undurchsichtig sind. Wie Graphen in der Elektronik enthalten photonische Kristalle im Allgemeinen Dirac-Kegel in ihren Bandstrukturen. An der Spitze eines solchen Kegels befindet sich der Dirac-Punkt, an dem sich die Bandlücke schließt.
Hexagonaler photonischer Kristall
Die Forscher entwarfen einen Laserhohlraum mit einem hexagonalen photonischen Kristallgitter, das an den Rändern offen war, sodass Photonen in den Raum um den Kristall herum dringen konnten, was bedeutet, dass die Wellenfunktion an ihrem Rand nicht auf Null beschränkt war. Der photonische Kristall hatte einen Dirac-Punkt bei Nullimpuls. Da der Impuls proportional zum Wellenvektor ist, war der Wellenvektor in der Ebene daher Null. Dies bedeutet, dass der Hohlraum tatsächlich einen Modus unterstützte, der über das gesamte Gitter hinweg einwertig war. Vorausgesetzt, der Hohlraum wurde mit der Energie dieses Modus gepumpt, ging niemals Energie in einen anderen Modus über, egal wie groß der Hohlraum war. „Das Photon hat keinen Impuls in der Ebene, also muss es nur noch vertikal entweichen“, erklärt Kanté.
Die Forscher stellten Hohlräume mit 19, 35 und 51 Löchern her: „Wenn Sie nicht bei der Dirac-Frequenz-Singularität pumpen, sehen Sie Lasern an mehreren Spitzen“, sagt Kanté. „Bei der Dirac-Singularität wird es nie Multimode. Der Flat-Modus entfernt die Verstärkung für die Modi höherer Ordnung.“ Theoretische Modellierung legt nahe, dass das Design sogar für Hohlräume funktionieren sollte, die Millionen von Löchern enthalten.
Topologische Quelle emittiert Licht mit hohen und mehrfachen Bahndrehimpulsen
Kanté glaubt, dass die von seinem Team entwickelten Konzepte in Zukunft Auswirkungen auf die Elektronik selbst und auf die Skalierbarkeit der Quantenmechanik auf die makroskopische Welt im Allgemeinen haben könnten. „Die ganze Herausforderung in der Quantenwissenschaft ist die Skalierung“, sagt er. „Die Leute arbeiten an supraleitenden Qubits, gefangenen Atomen, Defekten in Kristallen … das Einzige, was sie wollen, ist Skalierung. Meine Behauptung ist, dass es mit der grundlegenden Natur der Schrödinger-Gleichung zu tun hat: Wenn das System geschlossen ist, skaliert es nicht; Wenn Sie möchten, dass das System skaliert, muss das System Verluste haben“, sagt er.
Liang Feng von der University of Pennsylvania fügt hinzu: „Der Single-Mode-Breitbereichslaser ist einer der heiligen Grale, die von der Halbleiterlaser-Community aktiv verfolgt werden, und die Skalierbarkeit ist der wichtigste Vorteil“. „[Kantés Arbeit] zeigt genau das, wonach die Leute suchen, und sie demonstriert eine außergewöhnliche Skalierbarkeit, die durch hervorragende experimentelle Ergebnisse unterstützt wird. Offensichtlich muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um diese Strategie, die in optisch gepumpten Lasern demonstriert wurde, in praktikable elektrisch injizierte Diodenlaser umzuwandeln, aber wir können davon ausgehen, dass diese Arbeit eine neue Generation von Hochleistungslasern inspirieren wird, von denen mehrere bahnbrechende Branchen profitieren können wie Virtual- und Augmented-Reality-Systeme, LiDARs, Verteidigung und so viele andere, bei denen Laser eine entscheidende Rolle spielen.“
Das Team hat sein Gerät Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) getauft und es in einem beschrieben unbearbeitete Vorschauversion ihrer Arbeit das ist derzeit auf der verfügbar Natur Webseite.
