Лазеры, которые должны масштабироваться до сколь угодно высоких мощностей при сохранении чистоты частоты, были созданы исследователями в США. Их изобретение, основанное на аналоге физики электронов в полупроводнике Дирака, таком как графен, решает проблему, восходящую к изобретению лазера. Исследователи считают, что их работа может также вдохновить на фундаментальные теоретические открытия в квантовой механике в макроскопических масштабах.
По сути, любой лазер состоит из двух основных компонентов: резонатора и усиливающей среды — обычно полупроводника. Бубакар Канте Калифорнийского университета в Беркли – старший автор статьи, которая появится в природа Описание лазеров. «Полупроводник излучает широкий диапазон частот, и резонатор выбирает, какая частота будет усилена для достижения порога генерации».
Проблема в том, что любой резонатор будет поддерживать не только основную «основную» частоту лазера, но и несколько высокочастотных возбужденных состояний. Более интенсивная накачка резонатора для увеличения мощности лазера неизбежно приводит к возбуждению этих высокочастотных состояний в сторону порога генерации. Для более мощных лазеров требуются большие полости, но они поддерживают более плотный спектр частот.
Никто не знал, что с этим делать
«Если усиление перекрывается только с фундаментальным, то будет генерироваться только фундаментальный, а люди делают нанолазеры постоянно и без проблем», — говорит Канте. «Но если мода более высокого порядка приблизится, вы не сможете различить их, и они обе будут генерироваться. Это проблема шестидесятилетней давности: все об этом знают, и никто не знает, что с этим делать».
До сих пор, т.е. Если бы основная мода резонатора могла поглощать всю энергию усиливающей среды, рассуждали исследователи, все моды более высокого порядка были бы подавлены. Проблема в обычном лазерном резонаторе заключается в том, что волновая функция основного состояния максимальна в центре резонатора и падает до нуля к краям. «В любом лазере с поверхностным излучением или в любом резонаторе, известном нам на сегодняшний день… нет излучения [на основной частоте] с края», — объясняет Канте; «Если нет излучения с края, у вас есть много возможностей для усиления. И из-за этого мода второго порядка живет на краю, и очень скоро лазер становится многомодовым».
Чтобы обойти эту проблему, Канте и его коллеги использовали фотонные кристаллы. Это периодические структуры, которые, подобно электронным полупроводникам, имеют «запрещенную зону» — частоты, на которых они непрозрачны. Подобно графену в электронике, фотонные кристаллы обычно содержат в своих зонных структурах конусы Дирака. В вершине такого конуса находится точка Дирака, где закрывается запрещенная зона.
Гексагональный фотонный кристалл
Исследователи разработали лазерный резонатор, содержащий гексагональную решетку фотонного кристалла, которая была открыта по краям, позволяя фотонам просачиваться в пространство вокруг кристалла, а это означает, что волновая функция не ограничивается нулем на его краю. Фотонный кристалл имел точку Дирака при нулевом импульсе. Поскольку импульс пропорционален волновому вектору, поэтому волновой вектор в плоскости был равен нулю. Это означает, что резонатор действительно поддерживал моду, однозначную по всей решетке. При условии, что резонатор накачивался энергией этой моды, никакая энергия никогда не переходила ни в какую другую моду, независимо от размера резонатора. «У фотона нет импульса в плоскости, поэтому единственное, что ему остается, — это улететь вертикально», — объясняет Канте.
Исследователи изготовили резонаторы, содержащие 19, 35 и 51 отверстие: «Когда вы не накачиваете на сингулярности частоты Дирака, вы видите генерацию на нескольких пиках», — говорит Канте. «В сингулярности Дирака она никогда не становится многомодовой. Плоский режим устраняет усиление для режимов более высокого порядка». Теоретическое моделирование предполагает, что конструкция должна работать даже для полостей, содержащих миллионы отверстий.
Топологический источник излучает свет с большим и кратным орбитальным угловым моментом.
Канте считает, что в будущем концепции, разработанные его командой, могут иметь значение для самой электроники и масштабируемости квантовой механики в макроскопическом мире в целом. «Вся проблема в квантовой науке — это масштабирование, — говорит он. «Люди работают над сверхпроводящими кубитами, захваченными атомами, дефектами в кристаллах… Единственное, чего они хотят, — это масштабировать. Я утверждаю, что это связано с фундаментальной природой уравнения Шредингера: когда система закрыта, она не масштабируется; если вы хотите, чтобы система масштабировалась, в ней должны быть потери», — говорит он.
Лян Фэн из Пенсильванского университета добавляет: «Одномодовый широкоугольный лазер — это один из святых Граалей, активно используемых сообществом полупроводниковых лазеров, а масштабируемость — это самое важное достоинство». «[Работа Канте] демонстрирует именно то, что ищут люди, и демонстрирует исключительную масштабируемость, подкрепленную отличными экспериментальными результатами. Очевидно, что необходимо проделать дополнительную работу, чтобы преобразовать эту стратегию, продемонстрированную в лазерах с оптической накачкой, в жизнеспособные диодные лазеры с электрической инжекцией, но мы можем ожидать, что эта работа вдохновит на создание нового поколения высокопроизводительных лазеров, которые могут принести пользу многим революционным отраслям. такие как системы виртуальной и дополненной реальности, лидары, оборона и многие другие, где лазеры играют решающую роль».
Команда назвала свое устройство поверхностно-излучающим лазером Беркли (BerkSEL) и описала его в кратком описании. неотредактированная предварительная версия их статьи который в настоящее время доступен на природа Веб-сайт.
