Raziskovalci v ZDA so izdelali laserje, ki bi morali biti razširljivi na poljubno visoke moči, hkrati pa ohranjati svojo frekvenčno čistost. Njihov izum, ki temelji na analogiji fizike elektronov v Diracovem polprevodniku, kot je grafen, rešuje problem, ki sega v čas izuma laserja. Raziskovalci verjamejo, da bi njihovo delo lahko navdihnilo tudi temeljna teoretična odkritja v kvantni mehaniki na makroskopskih lestvicah.
Vsak laser je v osnovi sestavljen iz dveh bistvenih komponent: votline in ojačitvenega medija – običajno polprevodnika, pojasnjuje Boubacar Kanté Univerze v Kaliforniji, Berkeley – višji avtor prispevka, ki bo objavljen v Narava opisovanje laserjev. "Polprevodnik oddaja širok razpon frekvenc, votlina pa izbere, katera frekvenca bo ojačana, da doseže prag laserja."
Težava je v tem, da katera koli votlina podpira ne samo "osnovno" frekvenco laserja v osnovnem stanju, temveč tudi več visokofrekvenčnih vzbujenih stanj. Močnejše črpanje votline za povečanje moči laserja neizogibno teži k vzbujanju teh visokofrekvenčnih stanj proti pragu laserskega sevanja. Laserji z večjo močjo potrebujejo večje votline, vendar ti podpirajo gostejši spekter frekvenc.
Nihče ni vedel, kaj storiti glede tega
»Če se ojačenje prekriva samo s temeljnim, potem bo lasersko deloval le osnovni in ljudje brez težav ves čas izdelujejo nanolaserje,« pravi Kanté. »Toda če se način višjega reda približa, ne morete razlikovati med obema in oba bosta sekala. To je šest desetletij star problem: vsi ga poznajo, nihče pa ne ve, kaj storiti glede tega.«
Do sedaj, to je. Če bi temeljni način votline lahko absorbiral vso energijo iz ojačevalnega medija, so razmišljali raziskovalci, bi bili vsi načini višjega reda potlačeni. Težava v običajni laserski votlini je, da je valovna funkcija osnovnega stanja največja v središču votline in pade na nič proti robovom. »V katerem koli laserju, ki oddaja površino, ali v kakršni koli votlini, ki jo poznamo do danes ... ni sevanja [na osnovni frekvenci] z roba,« pojasnjuje Kanté; »Če ni laserja z roba, imate tam na voljo veliko dobička. In zaradi tega način drugega reda živi na robu in zelo kmalu laser postane večmodni.«
Da bi rešili to težavo, so Kanté in sodelavci uporabili fotonske kristale. To so periodične strukture, ki imajo tako kot elektronski polprevodniki "pasovne vrzeli" - frekvence, pri katerih so neprozorne. Tako kot grafen v elektroniki tudi fotonski kristali na splošno vsebujejo Diracove stožce v svojih pasovnih strukturah. Na vrhu takega stožca je Diracova točka, kjer se vrzel zapre.
Heksagonalni fotonski kristal
Raziskovalci so zasnovali lasersko votlino, ki je vsebovala šestkotno fotonsko kristalno mrežo, ki je bila odprta na robovih, kar je omogočilo uhajanje fotonov v prostor okoli kristala, kar pomeni, da valovna funkcija na njegovem robu ni bila omejena na nič. Fotonski kristal je imel Diracovo točko pri ničelnem momentu. Ker je zagon sorazmeren valovnemu vektorju, je bil valovni vektor v ravnini enak nič. To pomeni, da je votlina res podpirala način, ki je imel eno samo vrednost po vsej mreži. Pod pogojem, da je bila votlina črpana z energijo tega načina, nobena energija nikoli ni prešla v noben drug način, ne glede na to, kako velika je votlina. »Foton nima gibalne količine v ravnini, zato je edina stvar, da pobegne navpično,« pojasnjuje Kanté.
Raziskovalci so izdelali votline, ki obsegajo 19, 35 in 51 lukenj: "Ko ne črpate na singularnosti frekvence Dirac, vidite sevanje na več vrhovih," pravi Kanté. »Pri Diracovi singularnosti nikoli ne postane večmodna. Ravni način odstrani ojačenje za načine višjega reda.« Teoretično modeliranje kaže, da bi morala zasnova delovati tudi za votline, ki vsebujejo milijone lukenj.
Topološki vir oddaja svetlobo z velikimi in večkratnimi orbitalnimi kotnimi momenti
Kanté verjame, da bi lahko koncepti, ki jih je razvila njegova ekipa, v prihodnosti vplivali na samo elektroniko in širše na razširljivost kvantne mehanike v makroskopski svet. "Ves izziv v kvantni znanosti je skaliranje," pravi. »Ljudje delajo na superprevodnih kubitih, ujetih atomih, napakah v kristalih ... edina stvar, ki jo želijo narediti, je obseg. Moja trditev je, da je to povezano s temeljno naravo Schrödingerjeve enačbe: ko je sistem zaprt, se ne spreminja; če želite, da se sistem poveča, mora imeti sistem izgube,« pravi.
Liang Feng z Univerze v Pennsylvaniji dodaja: "Enomodalni laser s širokim območjem je eden od svetih gralov, ki si ga dejavno prizadeva skupnost polprevodniških laserjev, in razširljivost je najbolj kritična prednost." »[Kantéjevo delo] dokazuje, kaj ljudje iščejo, in dokazuje izjemno razširljivost, podprto z odličnimi eksperimentalnimi rezultati. Očitno je treba narediti več dela, da se ta strategija, prikazana v optično črpanih laserjih, spremeni v izvedljive diodne laserje z električnim vbrizgavanjem, vendar lahko pričakujemo, da bo to delo navdihnilo novo generacijo visoko zmogljivih laserjev, ki lahko koristijo več industrijam, ki spreminjajo igro. kot so sistemi navidezne in obogatene resničnosti, LiDAR-ji, obramba in mnogi drugi, kjer imajo laserji ključno vlogo.«
Ekipa je svojo napravo poimenovala Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) in jo opisala v nelektorirano predogledno različico svojega prispevka ki je trenutno na voljo na Narava spletne strani.
