Lasrar som ska vara skalbara till godtyckligt höga effekter samtidigt som de behåller sin frekvensrenhet har producerats av forskare i USA. Deras uppfinning, som bygger på en analog till elektronernas fysik i en Dirac-halvledare som grafen, löser ett problem som går tillbaka till laserns uppfinning. Forskarna tror att deras arbete också kan inspirera till grundläggande teoretiska upptäckter inom kvantmekanik i makroskopiska skalor.
Varje laser består i grunden av två väsentliga komponenter: en kavitet och ett förstärkningsmedium - vanligtvis en halvledare, förklarar Boubacar Kanté från University of California, Berkeley – seniorförfattaren till en artikel som kommer att dyka upp i Natur som beskriver lasrarna. "Halvledaren avger ett brett spektrum av frekvenser, och kaviteten väljer vilken frekvens som ska förstärkas för att nå lasrtröskeln."
Problemet är att vilken kavitet som helst kommer att stödja inte bara en grundtillstånds "grundläggande" frekvens för en laser, utan också flera exciterade tillstånd med högre frekvens. Att pumpa kaviteten hårdare för att öka laserns kraft tenderar oundvikligen att excitera dessa högre frekvenstillstånd mot lasrtröskeln. Lasrar med högre effekt behöver större kaviteter, men dessa stöder ett tätare spektrum av frekvenser.
Ingen visste vad man skulle göra åt det
"Om vinsten bara överlappar med det fundamentala, så kommer bara det fundamentala att förlora, och folk gör nanolasrar hela tiden utan problem", säger Kanté. "Men om läget av högre ordning kommer nära kan du inte skilja mellan de två och de kommer båda att sluta. Det här är ett sex decennium gammalt problem: alla vet det, och ingen vet vad de ska göra åt det."
Fram till nu, alltså. Om det grundläggande kavitetsläget kunde absorbera all energi från förstärkningsmediet, resonerade forskarna, skulle alla högre ordningens lägen undertryckas. Problemet i en konventionell laserkavitet är att marktillståndsvågfunktionen är maximal i mitten av kaviteten och faller till noll mot kanterna. "I någon ytemitterande laser, eller någon kavitet som vi känner till hittills ... finns det ingen lasring [vid grundfrekvensen] från kanten," förklarar Kanté; "Om det inte finns någon lasning från kanten har du mycket vinst tillgänglig där. Och på grund av det lever andra ordningens läge vid kanten, och mycket snart blir lasern multimod."
För att komma runt detta problem använde Kanté och kollegor fotoniska kristaller. Dessa är periodiska strukturer, som liksom elektroniska halvledare har "bandgap" - frekvenser där de är ogenomskinliga. Liksom grafen i elektronik innehåller fotoniska kristaller i allmänhet Dirac-koner i sina bandstrukturer. I spetsen av en sådan kon finns Dirac-punkten, där bandgapet sluter sig.
Hexagonal fotonisk kristall
Forskarna designade en laserkavitet innehållande ett hexagonalt fotoniskt kristallgitter som var öppet vid kanterna, vilket gjorde att fotoner kunde läcka in i utrymmet runt kristallen, vilket innebär att vågfunktionen inte var begränsad till noll vid dess kant. Den fotoniska kristallen hade en Dirac-punkt vid noll momentum. Eftersom rörelsemängden är proportionell mot vågvektorn var vågvektorn i planet därför noll. Detta betyder att kaviteten verkligen stödde ett läge som var enkelt värderat över hela gittret. Förutsatt att hålrummet pumpades med energin i detta läge, gick ingen energi någonsin till något annat läge, oavsett hur stor håligheten är. "Fotonen har ingen rörelsemängd i planet, så det enda som återstår är att den kan fly vertikalt", förklarar Kanté.
Forskarna tillverkade hålrum bestående av 19, 35 och 51 hål: "När du inte pumpar med Dirac-frekvensens singularitet ser du lasring vid flera toppar", säger Kanté. "På Dirac-singulariteten blir det aldrig multimode. Det platta läget tar bort förstärkningen för de högre ordningens lägen." Teoretisk modellering tyder på att designen bör fungera även för håligheter som innehåller miljontals hål.
Topologisk källa sänder ut ljus med höga och multipla orbitala vinkelmoment
I framtiden tror Kanté att de koncept som utvecklats av hans team kan ha implikationer i själva elektroniken och på kvantmekanikens skalbarhet till den makroskopiska världen mer generellt. "All utmaning inom kvantvetenskap är skalning", säger han. "Människor arbetar med supraledande qubits, fångade atomer, defekter i kristaller ... det enda de vill göra är skala. Mitt påstående är att det har att göra med Schrödinger-ekvationens grundläggande natur: när systemet är stängt, skalas det inte; om man vill att systemet ska skala måste systemet ha förlust, säger han.
Liang Feng från University of Pennsylvania tillägger: "Single-mode bredarea lasern är en av de heliga gralerna som aktivt eftersträvas av halvledarlasergemenskapen, och skalbarhet är den mest kritiska fördelen". "[Kantés arbete] visar precis vad människor letar efter, och det visar exceptionell skalbarhet med utmärkta experimentella resultat. Uppenbarligen behöver mer arbete göras för att omvandla denna strategi, som demonstreras i optiskt pumpade lasrar, till livskraftiga elektriskt injicerade diodlasrar, men vi kan förvänta oss att detta arbete kommer att inspirera en ny generation av högpresterande lasrar som kan gynna flera spelföränderliga industrier som virtuella och förstärkta verklighetssystem, LiDAR, försvar och så många andra där lasrar spelar avgörande roller."
Teamet har döpt sin enhet till Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) och beskriver den i en oredigerad förhandsversion av deras tidning som för närvarande är tillgänglig på Natur webbsajt.
