लेज़र जो अपनी आवृत्ति शुद्धता बनाए रखते हुए मनमाने ढंग से उच्च शक्तियों के लिए स्केलेबल होना चाहिए, अमेरिका में शोधकर्ताओं द्वारा उत्पादित किए गए हैं। उनका आविष्कार, जो ग्रैफेन जैसे डायराक सेमीकंडक्टर में इलेक्ट्रॉनों के भौतिकी के एनालॉग पर निर्भर करता है, लेजर के आविष्कार से जुड़ी एक समस्या को हल करता है। शोधकर्ताओं का मानना है कि उनका काम मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर क्वांटम यांत्रिकी में मौलिक सैद्धांतिक खोजों को भी प्रेरित कर सकता है।
किसी भी लेजर में मूल रूप से दो आवश्यक घटक होते हैं: एक गुहा और एक लाभ माध्यम - आमतौर पर एक अर्धचालक, बताते हैं बाउबकर कांते कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के - एक पेपर के वरिष्ठ लेखक जो इसमें दिखाई देंगे प्रकृति लेज़रों का वर्णन "अर्धचालक आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्सर्जन करता है, और गुहा चुनता है कि लेसिंग थ्रेशोल्ड तक पहुंचने के लिए किस आवृत्ति को बढ़ाया जाएगा।"
समस्या यह है कि कोई भी गुहा न केवल एक लेजर की "मौलिक" आवृत्ति की एक जमीनी स्थिति का समर्थन करेगा, बल्कि कई उच्च-आवृत्ति वाले उत्साहित राज्यों का भी समर्थन करेगा। लेज़र की शक्ति को बढ़ाने के लिए कैविटी को कठिन रूप से पंप करना अनिवार्य रूप से इन उच्च-आवृत्ति वाले राज्यों को लेसिंग थ्रेशोल्ड की ओर उत्तेजित करता है। उच्च-शक्ति वाले लेज़रों को बड़ी गुहाओं की आवश्यकता होती है, लेकिन ये आवृत्तियों के सघन स्पेक्ट्रम का समर्थन करते हैं।
कोई नहीं जानता था कि इसके बारे में क्या करना है
"यदि लाभ केवल मौलिक के साथ ओवरलैप होता है, तो केवल मौलिक ही कम हो जाएगा, और लोग बिना किसी समस्या के हर समय नैनोलाइज़र बनाते हैं," कांते कहते हैं। "लेकिन अगर उच्च-क्रम मोड करीब आता है, तो आप दोनों के बीच अंतर नहीं कर सकते हैं और वे दोनों कम हो जाएंगे। यह छह दशक पुरानी समस्या है: हर कोई इसे जानता है, और कोई नहीं जानता कि इसके बारे में क्या करना है।"
अब तक, अर्थात्। यदि मौलिक गुहा मोड लाभ माध्यम से सभी ऊर्जा को अवशोषित करने में सक्षम थे, शोधकर्ताओं ने तर्क दिया, सभी उच्च क्रम मोड दबा दिए जाएंगे। एक पारंपरिक लेज़र कैविटी में समस्या यह है कि ग्राउंड स्टेट वेवफंक्शन कैविटी के केंद्र में अधिकतम होता है और किनारों की ओर शून्य हो जाता है। "किसी भी सतह से लेजर उत्सर्जित करने वाली, या किसी भी गुहा में जिसे हम आज तक जानते हैं ... किनारे से कोई लेसिंग [मौलिक आवृत्ति पर] नहीं है," कांटे बताते हैं; "अगर किनारे से कोई लेसिंग नहीं है, तो आपके पास वहां बहुत अधिक लाभ उपलब्ध है। और उसके कारण दूसरे क्रम का मोड किनारे पर रहता है, और बहुत जल्द लेज़र मल्टीमोड बन जाता है। ”
इस समस्या को हल करने के लिए, कांते और उनके सहयोगियों ने फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग किया। ये आवधिक संरचनाएं हैं, जिनमें इलेक्ट्रॉनिक अर्धचालकों की तरह, "बैंड गैप" होते हैं - आवृत्तियां जिस पर वे अपारदर्शी होते हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स में ग्रैफेन की तरह, फोटोनिक क्रिस्टल में आमतौर पर उनके बैंड संरचनाओं में डिराक शंकु होते हैं। ऐसे शंकु के शीर्ष पर Dirac बिंदु होता है, जहां बैंड गैप बंद हो जाता है।
हेक्सागोनल फोटोनिक क्रिस्टल
शोधकर्ताओं ने एक हेक्सागोनल फोटोनिक क्रिस्टल जाली युक्त एक लेजर गुहा तैयार किया जो किनारों पर खुला था, जिससे फोटॉन क्रिस्टल के चारों ओर अंतरिक्ष में रिसाव कर सकते थे, जिसका अर्थ है कि तरंग इसके किनारे पर शून्य तक ही सीमित नहीं थी। फोटोनिक क्रिस्टल में शून्य गति पर एक डिराक बिंदु था। चूँकि संवेग तरंग सदिश के समानुपाती होता है, अत: समतल तरंग सदिश शून्य था। इसका मतलब यह है कि गुहा ने वास्तव में एक ऐसी विधा का समर्थन किया था जो पूरे जाली में एकल मूल्यवान थी। बशर्ते गुहा को इस मोड की ऊर्जा पर पंप किया गया हो, कोई भी ऊर्जा कभी भी किसी अन्य मोड में नहीं गई, चाहे वह कितनी भी बड़ी हो। "फोटॉन में कोई इन-प्लेन गति नहीं है, इसलिए केवल एक चीज बची है कि वह लंबवत रूप से बच जाए," कांटे बताते हैं।
शोधकर्ताओं ने 19, 35 और 51 छिद्रों वाली गुहाओं को गढ़ा: "जब आप डिराक आवृत्ति विलक्षणता पर पंप नहीं कर रहे होते हैं तो आप कई चोटियों पर लेसिंग देखते हैं," कांटे कहते हैं। "डिराक विलक्षणता में, यह कभी भी मल्टीमोड नहीं बनता है। फ्लैट मोड उच्च ऑर्डर मोड के लिए लाभ को हटा देता है।" सैद्धांतिक मॉडलिंग से पता चलता है कि डिजाइन को लाखों छिद्रों वाले गुहाओं के लिए भी काम करना चाहिए।
टोपोलॉजिकल स्रोत उच्च और एकाधिक कक्षीय कोणीय गति के साथ प्रकाश उत्सर्जित करता है
भविष्य में, कांते का मानना है कि उनकी टीम द्वारा विकसित अवधारणाओं का प्रभाव इलेक्ट्रॉनिक्स में ही हो सकता है, और आमतौर पर मैक्रोस्कोपिक दुनिया के लिए क्वांटम यांत्रिकी की मापनीयता के लिए। "क्वांटम विज्ञान में सभी चुनौती बढ़ रही है," वे कहते हैं। "लोग सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट, फंसे हुए परमाणु, क्रिस्टल में दोष पर काम कर रहे हैं ... केवल एक चीज जो वे करना चाहते हैं वह है पैमाना। मेरा दावा है कि यह श्रोडिंगर समीकरण की मौलिक प्रकृति के साथ करना है: जब सिस्टम बंद हो जाता है, तो यह स्केल नहीं करता है; यदि आप चाहते हैं कि सिस्टम का पैमाना बढ़े, तो सिस्टम को नुकसान होना चाहिए, ”वे कहते हैं।
लिआंग फेंग पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय कहते हैं, "सिंगल-मोड ब्रॉड-एरिया लेजर अर्धचालक लेजर समुदाय द्वारा सक्रिय रूप से पीछा किए जाने वाले पवित्र कब्रों में से एक है, और स्केलेबिलिटी सबसे महत्वपूर्ण योग्यता है"। "[कांटे का काम] दिखाता है कि लोग क्या खोज रहे हैं, और यह उत्कृष्ट प्रयोगात्मक परिणामों द्वारा समर्थित असाधारण मापनीयता को प्रदर्शित करता है। स्पष्ट रूप से इस रणनीति को बदलने के लिए और अधिक काम करने की आवश्यकता है, वैकल्पिक रूप से पंप किए गए लेजर में प्रदर्शित, व्यवहार्य विद्युत इंजेक्शन डायोड लेजर में, लेकिन हम उम्मीद कर सकते हैं कि यह काम उच्च प्रदर्शन वाले लेजर की एक नई पीढ़ी को प्रेरित करेगा जो कई गेम-बदलते उद्योगों को लाभ पहुंचा सकता है जैसे वर्चुअल और ऑगमेंटेड रियलिटी सिस्टम, LiDARs, डिफेंस और कई अन्य जहां लेज़र महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। ”
टीम ने अपने डिवाइस को बर्कले सरफेस एमिटिंग लेजर (बर्कसेल) करार दिया है और इसका वर्णन एक . में किया है उनके पेपर का असंपादित पूर्वावलोकन संस्करण जो वर्तमान में पर उपलब्ध है प्रकृति वेबसाइट।
