Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã sản xuất ra những tia laser có thể mở rộng thành công suất cao tùy ý mà vẫn giữ được độ tinh khiết tần số của chúng. Phát minh của họ, dựa trên một chất tương tự với vật lý của các electron trong chất bán dẫn Dirac như graphene, giải quyết một vấn đề có từ khi phát minh ra laser. Các nhà nghiên cứu tin rằng công trình của họ cũng có thể truyền cảm hứng cho những khám phá lý thuyết cơ bản trong cơ học lượng tử ở quy mô vĩ mô.
Về cơ bản, bất kỳ laser nào cũng bao gồm hai thành phần thiết yếu: khoang và môi trường khuếch đại - thường là chất bán dẫn, giải thích Boubacar Kanté của Đại học California, Berkeley - tác giả cao cấp của một bài báo sẽ xuất hiện trong Thiên nhiên mô tả các tia laser. “Chất bán dẫn phát ra một dải tần số rộng, và khoang chứa sẽ chọn tần số nào sẽ được khuếch đại để đạt đến ngưỡng tạo sóng.”
Vấn đề là bất kỳ khoang nào sẽ không chỉ hỗ trợ tần số "cơ bản" ở trạng thái cơ bản của laser, mà còn hỗ trợ một số trạng thái kích thích tần số cao hơn. Việc bơm khoang khó khăn hơn để tăng công suất của tia laser chắc chắn có xu hướng kích thích các trạng thái tần số cao hơn này hướng tới ngưỡng phát sáng. Các tia laser công suất cao hơn cần các lỗ sâu hơn, nhưng chúng hỗ trợ một dải tần số dày đặc hơn.
Không ai biết phải làm gì về nó
Kanté nói: “Nếu lợi ích chỉ trùng lặp với điều cơ bản, thì chỉ điều cơ bản sẽ giảm đi, và mọi người tạo ra nanolasers mà không có vấn đề gì,” Kanté nói. “Nhưng nếu chế độ bậc cao đến gần, bạn không thể phân biệt được giữa hai chế độ này và cả hai đều sẽ mất. Đây là một vấn đề đã tồn tại sáu thập kỷ: mọi người đều biết nó và không ai biết phải làm gì với nó ”.
Cho đến bây giờ, đó là. Các nhà nghiên cứu lý luận rằng nếu chế độ khoang cơ bản có thể hấp thụ tất cả năng lượng từ môi trường khuếch đại, tất cả các chế độ bậc cao sẽ bị triệt tiêu. Vấn đề trong một hốc laser thông thường là hàm sóng trạng thái cơ bản đạt cực đại ở trung tâm của hốc và giảm về XNUMX đối với các cạnh. Kanté giải thích: “Trong bất kỳ bề mặt nào phát ra tia laser, hoặc bất kỳ khoang nào mà chúng ta biết cho đến nay… không có ống kính [ở tần số cơ bản] từ rìa,” Kanté giải thích; “Nếu không có vỏ bọc từ rìa, bạn có rất nhiều lợi ích có sẵn ở đó. Và vì điều đó, chế độ bậc hai sống ở rìa, và rất nhanh chóng tia laser trở thành đa chế độ. "
Để giải quyết vấn đề này, Kanté và các đồng nghiệp đã sử dụng các tinh thể quang tử. Đây là những cấu trúc tuần hoàn, giống như chất bán dẫn điện tử, có "khoảng trống vùng" - tần số mà chúng không rõ ràng. Giống như graphene trong điện tử, tinh thể quang tử nói chung chứa hình nón Dirac trong cấu trúc dải của chúng. Tại đỉnh của một hình nón như vậy là điểm Dirac, nơi mà vùng cấm đóng lại.
Tinh thể quang hình lục giác
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một khoang laser chứa mạng tinh thể quang tử lục giác mở ở các cạnh, cho phép các photon rò rỉ vào không gian xung quanh tinh thể, có nghĩa là hàm sóng không bị giới hạn ở mức XNUMX ở rìa của nó. Tinh thể quang tử có điểm Dirac ở động lượng bằng không. Vì động lượng tỷ lệ với vectơ sóng, vectơ sóng trong mặt phẳng do đó bằng không. Điều này có nghĩa là khoang thực sự đã hỗ trợ một chế độ có giá trị duy nhất trên toàn bộ mạng. Miễn là khoang được bơm ở năng lượng của chế độ này, không có năng lượng nào được chuyển sang bất kỳ chế độ nào khác, bất kể khoang lớn đến mức nào. Kanté giải thích: “Photon không có xung lượng trong mặt phẳng, vì vậy điều duy nhất còn lại là để nó thoát ra theo phương thẳng đứng.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo các khoang chứa 19, 35 và 51 lỗ: “Khi bạn không bơm ở điểm kỳ dị tần số Dirac, bạn sẽ thấy sự chảy nước ở nhiều đỉnh,” Kanté nói. “Ở điểm kỳ dị Dirac, nó không bao giờ trở thành đa chế độ. Chế độ phẳng loại bỏ mức tăng cho các chế độ bậc cao hơn. ” Mô hình lý thuyết cho thấy rằng thiết kế sẽ hoạt động ngay cả đối với các khoang chứa hàng triệu lỗ.
Nguồn tôpô phát ra ánh sáng có mômen góc quỹ đạo cao và nhiều quỹ đạo
Trong tương lai, Kanté tin rằng các khái niệm do nhóm của ông phát triển có thể có ý nghĩa trong chính điện tử và khả năng mở rộng của cơ học lượng tử đối với thế giới vĩ mô nói chung. Ông nói: “Tất cả những thách thức trong khoa học lượng tử đang mở rộng. “Mọi người đang nghiên cứu về các qubit siêu dẫn, các nguyên tử bị mắc kẹt, các khuyết tật trong tinh thể… điều duy nhất họ muốn làm là mở rộng quy mô. Tuyên bố của tôi là nó liên quan đến bản chất cơ bản của phương trình Schrödinger: khi hệ thống đóng, nó không chia tỷ lệ; nếu bạn muốn hệ thống mở rộng quy mô, hệ thống cần phải có lỗ, ”ông nói.
lương phong của Đại học Pennsylvania cho biết thêm, “Tia laser diện rộng đơn mode là một trong những điểm sáng được cộng đồng laser bán dẫn tích cực theo đuổi và khả năng mở rộng là điểm quan trọng nhất”. “[Công việc của Kanté] chỉ ra những gì mọi người đang tìm kiếm và nó thể hiện khả năng mở rộng đặc biệt được hỗ trợ bởi các kết quả thử nghiệm tuyệt vời. Rõ ràng là cần phải làm nhiều việc hơn nữa để chuyển đổi chiến lược này, được thể hiện trong laser được bơm quang học, thành laser diode tiêm điện khả thi, nhưng chúng ta có thể mong đợi rằng công trình này sẽ truyền cảm hứng cho một thế hệ laser hiệu suất cao mới có thể mang lại lợi ích cho nhiều ngành công nghiệp thay đổi cuộc chơi như hệ thống thực tế ảo và thực tế tăng cường, LiDAR, hệ thống phòng thủ và nhiều hệ thống khác trong đó tia laser đóng vai trò quan trọng. "
Nhóm nghiên cứu đã đặt tên cho thiết bị của mình là Laser phát ra bề mặt Berkeley (BerkSEL) và mô tả nó trong phiên bản xem trước chưa chỉnh sửa của bài báo của họ hiện có sẵn trên Thiên nhiên trang web.
