주파수 순도를 유지하면서 임의의 고출력으로 확장 가능해야 하는 레이저는 미국의 연구원에 의해 생산되었습니다. 그래핀과 같은 Dirac 반도체의 전자 물리학에 대한 유사점에 의존하는 그들의 발명은 레이저 발명으로 거슬러 올라가는 문제를 해결합니다. 연구원들은 그들의 연구가 거시적 규모에서 양자 역학의 근본적인 이론적 발견에 영감을 줄 수 있다고 믿습니다.
모든 레이저는 기본적으로 캐비티와 이득 매질(보통 반도체)의 두 가지 필수 구성 요소로 구성됩니다. 부바카르 캉테 University of California, Berkeley – 다음에 게재될 논문의 수석 저자 자연 레이저를 설명합니다. "반도체는 광범위한 주파수를 방출하며 공동은 레이저 임계값에 도달하기 위해 증폭될 주파수를 선택합니다."
문제는 모든 공동이 레이저의 기저 상태 "기본" 주파수뿐만 아니라 몇 가지 더 높은 주파수의 여기 상태도 지원할 수 있다는 것입니다. 레이저의 출력을 높이기 위해 공동을 더 세게 펌핑하면 필연적으로 이러한 고주파수 상태를 레이저 임계값 쪽으로 자극하는 경향이 있습니다. 더 높은 출력의 레이저는 더 큰 공동을 필요로 하지만 더 조밀한 주파수 스펙트럼을 지원합니다.
아무도 그것에 대해 무엇을해야할지 몰랐습니다
"이득이 기본과만 겹치면 기본만 레이저가 발생하고 사람들은 문제 없이 항상 나노레이저를 만듭니다."라고 Kanté는 말합니다. "하지만 고차 모드가 가까워지면 둘을 구분할 수 없고 둘 다 레이즈할 것입니다. 이것은 XNUMX년 된 문제입니다. 모두가 그것을 알고 있고 아무도 그것에 대해 무엇을 해야 할지 모릅니다.”
지금까지는 그렇습니다. 기본 공동 모드가 이득 매질로부터 모든 에너지를 흡수할 수 있다면 모든 고차 모드가 억제될 것이라고 연구진은 추론했다. 기존 레이저 공동의 문제는 기저 상태 파동함수가 공동의 중심에서 최대이고 가장자리로 갈수록 XNUMX으로 떨어진다는 것입니다. Kanté는 "표면 방출 레이저 또는 우리가 지금까지 알고 있는 모든 공동에서... 가장자리에서 [기본 주파수에서] 레이저가 발생하지 않습니다."라고 설명합니다. “가장자리에서 레이징이 없으면 거기에서 많은 이득을 얻을 수 있습니다. 그리고 그 때문에 XNUMX차 모드가 가장자리에 있고 곧 레이저가 다중 모드가 됩니다.”
이 문제를 해결하기 위해 Kanté와 동료들은 광결정을 사용했습니다. 이들은 전자 반도체와 같이 불투명한 주파수인 "밴드 갭"을 갖는 주기적인 구조입니다. 전자 제품의 그래핀과 마찬가지로 광자 결정은 일반적으로 밴드 구조에 Dirac 콘을 포함합니다. 이러한 원뿔의 정점에는 밴드 갭이 닫히는 Dirac 점이 있습니다.
육각형 광자결정
연구원들은 가장자리가 열려 있는 육각형 광자 결정 격자를 포함하는 레이저 공동을 설계하여 광자가 결정 주변의 공간으로 누출될 수 있도록 하여 파동 함수가 가장자리에서 XNUMX으로 제한되지 않음을 의미합니다. 광자 결정은 운동량이 XNUMX일 때 Dirac 지점을 가졌습니다. 운동량은 파동 벡터에 비례하므로 평면 내 파동 벡터는 따라서 XNUMX입니다. 이것은 캐비티가 격자 전체에서 단일 값을 갖는 모드를 실제로 지원했음을 의미합니다. 캐비티가 이 모드의 에너지로 펌핑되면 캐비티가 아무리 크더라도 에너지가 다른 모드로 이동하지 않습니다. Kanté는 "광자는 면내 운동량이 없으므로 수직으로 탈출하는 것만 남았습니다."라고 설명합니다.
연구원들은 19개, 35개, 51개의 구멍으로 구성된 공동을 제작했습니다. "Dirac 주파수 특이점에서 펌핑하지 않을 때 여러 피크에서 레이저가 발생하는 것을 볼 수 있습니다."라고 Kanté는 말합니다. “Dirac 특이점에서는 절대 다중 모드가 되지 않습니다. 플랫 모드는 고차 모드에 대한 게인을 제거합니다.” 이론적인 모델링에 따르면 수백만 개의 구멍이 있는 공동에 대해서도 설계가 작동해야 합니다.
위상 소스는 높고 다중 궤도 각 운동량으로 빛을 방출합니다.
미래에 Kanté는 그의 팀이 개발한 개념이 전자공학 자체와 양자역학의 거시적 세계로의 확장성에 더 일반적으로 영향을 미칠 수 있다고 믿습니다. "양자 과학의 모든 과제는 확장입니다."라고 그는 말합니다. “사람들은 초전도 큐비트, 갇힌 원자, 결정의 결함 등을 연구하고 있습니다. 그들이 원하는 유일한 것은 규모입니다. 내 주장은 이것이 슈뢰딩거 방정식의 근본적인 특성과 관련이 있다는 것입니다. 시스템이 닫히면 확장되지 않습니다. 시스템을 확장하려면 시스템에 손실이 있어야 합니다."라고 그는 말합니다.
리앙 펑 University of Pennsylvania의 교수는 "싱글 모드 광역 레이저는 반도체 레이저 커뮤니티에서 활발히 추구하는 성배 중 하나이며 확장성이 가장 중요한 장점입니다."라고 덧붙였습니다. “[Kanté의 작업]은 사람들이 무엇을 찾고 있는지 보여주며, 탁월한 실험 결과가 뒷받침하는 탁월한 확장성을 보여줍니다. 분명히 광학 펌핑 레이저에서 시연된 이 전략을 실행 가능한 전기 주입 다이오드 레이저로 변환하려면 더 많은 작업이 필요하지만 이 작업이 여러 판도를 바꾸는 산업에 도움이 될 수 있는 차세대 고성능 레이저에 영감을 줄 것으로 기대할 수 있습니다. 가상 및 증강 현실 시스템, LiDAR, 방위 및 레이저가 중요한 역할을 하는 기타 많은 것과 같은 것입니다."
팀은 이 장치에 Berkeley Surface Emitting Laser(BerkSEL)라는 이름을 붙이고 설명했습니다. 그들의 논문의 편집되지 않은 미리보기 버전 현재 사용 가능한 자연 웹 사이트를 방문 하십시오.
