Naukowcy w USA wyprodukowali lasery, które powinny być skalowalne do dowolnie wysokich mocy, zachowując przy tym czystość częstotliwości. Ich wynalazek, który opiera się na analogii do fizyki elektronów w półprzewodniku Diraca, takim jak grafen, rozwiązuje problem sięgający wynalezienia lasera. Naukowcy są przekonani, że ich praca może również zainspirować fundamentalne odkrycia teoretyczne w mechanice kwantowej w skali makroskopowej.
Każdy laser składa się zasadniczo z dwóch podstawowych elementów: wnęki i ośrodka wzmacniającego – zwykle półprzewodnika, wyjaśnia Boubacar Kante Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley – starszy autor artykułu, który ukaże się za: Natura opisując lasery. „Półprzewodnik emituje szeroki zakres częstotliwości, a wnęka wybiera, która częstotliwość zostanie wzmocniona, aby osiągnąć próg laserowania”.
Problem polega na tym, że każda wnęka będzie obsługiwać nie tylko „podstawową” częstotliwość lasera w stanie podstawowym, ale także kilka stanów wzbudzonych o wyższych częstotliwościach. Mocniejsze pompowanie wnęki w celu zwiększenia mocy lasera nieuchronnie prowadzi do wzbudzania tych stanów o wyższej częstotliwości w kierunku progu lasera. Lasery o większej mocy wymagają większych wnęk, ale obsługują one gęstsze spektrum częstotliwości.
Nikt nie wiedział, co z tym zrobić
„Jeżeli wzmocnienie nakłada się tylko na podstawową, to tylko podstawowa będzie działać, a ludzie cały czas tworzą nanolasery bez problemu” – mówi Kanté. „Ale jeśli tryb wyższego rzędu zbliża się do siebie, nie można ich rozróżnić i obaj będą strzelać laserem. To problem sprzed sześciu dekad: wszyscy o tym wiedzą i nikt nie wie, co z tym zrobić”.
To znaczy do tej pory. Naukowcy doszli do wniosku, że gdyby podstawowy mod wnęki był w stanie wchłonąć całą energię z ośrodka wzmacniającego, wszystkie mody wyższego rzędu zostałyby stłumione. Problem w konwencjonalnej wnęce laserowej polega na tym, że funkcja falowa stanu podstawowego osiąga maksimum w środku wnęki i spada do zera w kierunku krawędzi. „W jakimkolwiek laserze emitującym powierzchnię lub w jakiejkolwiek wnęce, którą znamy do tej pory… nie ma lasera [przy częstotliwości podstawowej] od krawędzi”, wyjaśnia Kanté; „Jeśli nie ma laserowania z krawędzi, masz tam dużo zysku. Z tego powodu tryb drugiego rzędu żyje na krawędzi i bardzo szybko laser staje się wielomodowy”.
Aby obejść ten problem, Kanté i współpracownicy wykorzystali kryształy fotoniczne. Są to struktury okresowe, które podobnie jak półprzewodniki elektroniczne mają „przerwy wzbronione” – częstotliwości, przy których są nieprzezroczyste. Podobnie jak grafen w elektronice, kryształy fotoniczne na ogół zawierają stożki Diraca w swoich strukturach pasmowych. Na wierzchołku takiego stożka znajduje się punkt Diraca, w którym zamyka się przerwa wzbroniona.
Heksagonalny kryształ fotoniczny
Naukowcy zaprojektowali wnękę laserową zawierającą heksagonalną sieć kryształów fotonicznych, która była otwarta na krawędziach, umożliwiając fotonom wyciekanie do przestrzeni wokół kryształu, co oznacza, że funkcja falowa nie była ograniczona do zera na jego krawędzi. Kryształ fotoniczny miał punkt Diraca przy zerowym pędzie. Ponieważ pęd jest proporcjonalny do wektora falowego, wektor falowy w płaszczyźnie był zatem zerowy. Oznacza to, że wnęka rzeczywiście obsługiwała mod, który był ceniony pojedynczo na całej siatce. Zakładając, że wnęka była pompowana energią tego trybu, żadna energia nigdy nie przechodziła w żaden inny tryb, bez względu na wielkość wnęki. „Foton nie ma pędu w płaszczyźnie, więc jedyne, co mu pozostało, to ucieczka w pionie”, wyjaśnia Kanté.
Naukowcy wytworzyli wnęki składające się z 19, 35 i 51 otworów: „Kiedy nie pompujesz z osobliwością częstotliwości Diraca, widzisz laserowanie w wielu szczytach”, mówi Kanté. „W osobliwości Diraca nigdy nie staje się wielomodowy. Tryb płaski usuwa wzmocnienie dla trybów wyższego rzędu.” Modelowanie teoretyczne sugeruje, że projekt powinien działać nawet w przypadku wnęk zawierających miliony otworów.
Źródło topologiczne emituje światło o wysokich i wielokrotnych orbitalnych momentach kątowych
Kanté uważa, że w przyszłości koncepcje opracowane przez jego zespół mogą mieć wpływ na samą elektronikę i ogólnie na skalowalność mechaniki kwantowej w świecie makroskopowym. „Wszystkim wyzwaniem w nauce kwantowej jest skalowanie” – mówi. „Ludzie pracują nad kubitami nadprzewodnikowymi, uwięzionymi atomami, defektami w kryształach… jedyne, czego chcą, to skalowanie. Twierdzę, że ma to związek z fundamentalną naturą równania Schrödingera: kiedy system jest zamknięty, nie skaluje się; jeśli chcesz, aby system się skalował, system musi mieć straty” – mówi.
Liang Fenga z University of Pennsylvania dodaje: „Jednomodowy laser o dużym obszarze jest jednym ze świętych Graalów aktywnie poszukiwanych przez społeczność laserów półprzewodnikowych, a skalowalność jest najważniejszą zaletą”. „[Praca Kante] pokazuje dokładnie to, czego ludzie szukają, i demonstruje wyjątkową skalowalność popartą doskonałymi wynikami eksperymentów. Oczywiście potrzeba więcej pracy, aby przekształcić tę strategię, zademonstrowaną w laserach pompowanych optycznie, w opłacalne lasery diodowe z wtryskiem elektrycznym, ale możemy oczekiwać, że ta praca zainspiruje nową generację laserów o wysokiej wydajności, które mogą przynieść korzyści wielu branżom zmieniającym reguły gry. jak systemy wirtualnej i rozszerzonej rzeczywistości, LiDAR, obrona i wiele innych, w których lasery odgrywają kluczową rolę”.
Zespół nazwał swoje urządzenie Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) i opisał je w krótkim nieedytowana podglądowa wersja ich pracy który jest obecnie dostępny na Natura stronie internetowej.
