周波数純度を維持しながら任意の高出力にスケーラブルである必要があるレーザーは、米国の研究者によって製造されています。 グラフェンなどのディラック半導体の電子の物理学に類似したものに依存する彼らの発明は、レーザーの発明にまでさかのぼる問題を解決します。 研究者たちは、彼らの研究が巨視的スケールでの量子力学における基本的な理論的発見を刺激する可能性もあると信じています。
レーザーは基本的にXNUMXつの重要なコンポーネントで構成されています。キャビティとゲイン媒体（通常は半導体）です。 ブバカル・カンテ カリフォルニア大学バークレー校 – に掲載される論文の上級著者 自然 レーザーについて説明します。 「半導体は広範囲の周波数を放出し、キャビティはレーザー発振しきい値に到達するために増幅される周波数を選択します。」
問題は、どの空洞もレーザーの基底状態の「基本」周波数だけでなく、いくつかのより高い周波数の励起状態もサポートすることです。 レーザーの出力を上げるためにキャビティをより強くポンピングすると、必然的にこれらの高周波状態がレーザー発振しきい値に向かって励起される傾向があります。 より高出力のレーザーはより大きな空洞を必要としますが、これらはより高密度の周波数スペクトルをサポートします。
誰もそれについて何をすべきかわからなかった
「ゲインがファンダメンタルと重なるだけの場合、ファンダメンタルだけがレーザー発振し、人々は常に問題なくナノレーザーを作成します」とカンテは言います。 「しかし、高次モードが近づくと、XNUMXつを区別できず、両方ともリースされます。 これはXNUMX年前の問題です。誰もがそれを知っており、誰もそれについて何をすべきかを知りません。」
今まではそうです。 基本空洞モードが利得媒質からすべてのエネルギーを吸収できた場合、研究者は、すべての高次モードが抑制されると推論しました。 従来のレーザーキャビティの問題は、基底状態の波動関数がキャビティの中心で最大になり、エッジに向かってゼロに低下することです。 「面発光レーザー、またはこれまでにわかっているキャビティでは、エッジからの[基本周波数での]レーザー発振はありません」とカンテは説明します。 「端からのレーザー発振がない場合は、そこで多くの利益を得ることができます。 そのため、XNUMX次モードはエッジに存在し、すぐにレーザーはマルチモードになります。」
この問題を回避するために、カンテらはフォトニック結晶を利用しました。 これらは周期的な構造であり、電子半導体と同様に、不透明な周波数である「バンドギャップ」があります。 電子機器のグラフェンと同様に、フォトニック結晶は一般にバンド構造にディラックコーンを含んでいます。 このような円錐の頂点には、バンドギャップが閉じるディラック点があります。
六角形のフォトニック結晶
研究者らは、エッジで開いた六角形のフォトニック結晶格子を含むレーザーキャビティを設計しました。これにより、フォトンが結晶の周囲の空間に漏れ、波動関数がエッジでゼロに制限されませんでした。 フォトニック結晶は、運動量ゼロでディラック点を持っていました。 運動量は波数ベクトルに比例するため、面内波数ベクトルはゼロでした。 これは、キャビティが実際に格子全体で単一値のモードをサポートしたことを意味します。 キャビティがこのモードのエネルギーでポンピングされた場合、キャビティの大きさに関係なく、他のモードにエネルギーが入ることはありません。 「光子には面内の運動量がないため、残っているのは垂直方向に逃げることだけです」とカンテは説明します。
研究者たちは、19、35、51個の穴からなる空洞を作りました。「ディラック周波数の特異点でポンピングしていないときは、複数のピークでレーザー発振が見られます」とカンテは言います。 「ディラックの特異点では、マルチモードになることはありません。 フラットモードでは、高次モードのゲインが削除されます。」 理論的モデリングは、数百万の穴を含むキャビティでも設計が機能することを示唆しています。
トポロジカルソースは、高い複数の軌道角運動量で発光します
将来、カンテは、彼のチームによって開発された概念が、エレクトロニクス自体、およびより一般的には巨視的世界への量子力学のスケーラビリティに影響を与える可能性があると考えています。 「量子科学におけるすべての課題はスケーリングです」と彼は言います。 「人々は超伝導キュビット、トラップされた原子、結晶の欠陥に取り組んでいます…彼らがやりたいのはスケールだけです。 私の主張は、それはシュレディンガー方程式の基本的な性質に関係しているということです。システムが閉じているとき、それはスケーリングしません。 システムを拡張したい場合は、システムに損失を与える必要があります」と彼は言います。
リャン・フェン ペンシルベニア大学の学部長は、「シングルモード広域レーザーは、半導体レーザーコミュニティが積極的に追求している聖杯のXNUMXつであり、スケーラビリティが最も重要なメリットです」と付け加えています。 「[カンテの作品]は、人々が探しているものを示しており、優れた実験結果に裏打ちされた並外れたスケーラビリティを示しています。 光ポンピングレーザーで実証されたこの戦略を実行可能な電気注入ダイオードレーザーに変換するには、明らかにさらに多くの作業を行う必要がありますが、この作業は、複数のゲームを変える業界に利益をもたらすことができる新世代の高性能レーザーを刺激することが期待できます仮想現実システムや拡張現実システム、LiDAR、防衛など、レーザーが重要な役割を果たす他の多くのシステムのように。」
チームは、そのデバイスをバークレー面発光レーザー（BerkSEL）と呼んで、 彼らの論文の未編集のプレビュー版 それは現在で利用可能です 自然 ウェブサイトをご覧ください。
