Nedávno tým vedený profesory Zhang Xinzheng, Chen Zhigang a Xu Jingjun ze School of Physical Sciences na Nankai University, ve spolupráci s profesorkou Irenou Drevenšek Olenik ze Stefan Institute ve Slovinsku, poprvé předvedl kruhově polarizovanou flexibilní topologickou vertikální -povrch dutiny- s vysokou účinností laserové konverze (VCSEL). Výsledky výzkumu nazvané „Topologické lasery vyzařující povrch s vertikální dutinou založené na měkkých-látkách- byly publikovány v Light: Science & Applications a vybrány jako titulní článek pro druhé číslo.
Tento topologický VCSEL je založen na -jednorozměrné optické supermřížkové struktuře složené z polymerního cholesterického tekutého krystalu (PCLC) odstředivého filmu-potaženého fluorescenčním ziskovým médiem a komerčním Mylarovým filmem. Supermřížka obsahuje modulovanou potenciálovou studnu, která narušuje inverzní symetrii, analogicky jako u Semenovových izolátorů a kvantového údolí Hallova jevu ve dvou-rozměrném prostoru syntetických parametrů. Ukazují, že tento topologický VCSEL udržuje vynikající laserovou emisi v jednom režimu při nízkém výkonu pumpy. Je pozoruhodné, že tento tenký{7}}filmový topologický VCSEL nabízí extrémně nízké výrobní náklady, nevyžaduje žádné složité výrobní techniky, lze jej snadno integrovat na substráty jakéhokoli tvaru a zachovává si požadované vlastnosti laseru a schopnost řízení paprsku i po několika ohybech.
S neustálým pokrokem v optických informačních technologiích a rostoucí poptávkou po miniaturizaci, lehké konstrukci a integraci do fotonických čipů si vývoj-čipových laserů získává stále větší pozornost. Současné-čipové lasery však stále čelí značným problémům, včetně nízkého výstupního výkonu a špatné stability. Topologicky chráněné lasery nabízejí efektivní konstrukční přístup k dosažení vysoké stability a nízkého prahu u-čipových laserů. Výroba většiny topologických VCSEL však v současné době vyžaduje složité a přesné procesy, které jsou omezeny polovodičovými materiály. Jejich vlnové délky laseru jsou primárně omezeny na blízké -infračervené pásmo a mají pevnou geometrii neschopnou translačního řízení paprsku. Nízkonákladový-vývoj mechanicky flexibilních, polarizační{10}}udržujících a lehkých{11}}topologických čipů VCSEL využívajících měkké materiály a nové principy má proto významnou teoretickou i praktickou hodnotu.
Princip základní konstrukce a prostor parametrů syntézy jedno{0}}rozměrných flexibilních optických supermřížek
Během výzkumu tým nejprve spojil filmy Mylar o dvou různých tloušťkách s tenkými vrstvami PCLC, aby vytvořily jednorozměrnou binární optickou supermřížkovou strukturu, která narušuje prostorovou inverzní symetrii. Zavedením modulace vazebných koeficientů ke konstrukci prostoru syntetických parametrů objasnili rozdíl v topologických vlastnostech mezi AB a BA supermřížky s potenciály hetero-míst, analogicky s Hallovým efektem kvantového údolí ve dvou-dimenzionálních hexagonálních mřížkách. Následně spojili supermřížky AB a BA s odlišnými topologickými vlastnostmi-jedna s rovnoměrnou vazbou a druhá s hetero-potenciálem místa-, aby vygenerovaly stavy topologicky chráněného rozhraní. Tyto stavy rozhraní vykazují vysokou lokalizaci v rámci bandgapu a demonstrují odolnost proti strukturálním poruchám, což poskytuje ideální režim optické dutiny pro laserovou oscilaci. Experimentálně tým vyrobil flexibilní laserové zařízení se 17 vrstvami tak, že rotačním{11}}nanášením barviva PM597 na povrch tenkého filmu PCLC. Při 532 nm pulzním laserovém čerpání dosáhlo zařízení levotočivého kruhově polarizovaného topologického laserového výstupu na 575,4 nm s prahovou hodnotou 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), přičemž vykazovalo účinnost strmosti 4,0 %. Laserový paprsek vykazuje vynikající směrovost, s jeho prostorovým rozložením vysoce konzistentním s tvarem bodu pumpy, což demonstruje potenciální aplikace při přenosu obrazu a zobrazování. Kromě toho fixováním směru laseru pumpy při ohýbání a pohybu filmu zdola nahoru světlo pumpy osvětlilo pět různých oblastí (I-}V) vzorku, což způsobilo, že se emitovaný laser na optické obrazovce postupně pohyboval zdola nahoru. Nastavení poloměru zakřivení filmu VCSEL dále řídí úhel natočení paprsku. Tato vlastnost umožňuje topologickému VCSEL emitovat laserové světlo pod více úhly bez otáčení laserového zařízení. Je pozoruhodné, že topologický VCSEL vykazuje tepelnou stabilitu a zachovává si svůj původní výkon laseru i po delším čerpání. Tyto vlastnosti umožňují integraci s různými nositelnými fotonickými zařízeními pro aplikace, jako jsou nositelné displeje, elektronický boj proti padělání{27}}a laserové skenování.
Demonstrace aplikace flexibilní topologie VCSEL
Tato práce byla primárně prováděna na Nankai University. Postdoktorandský výzkumník Wang Yu a profesor Xia Shiqi z univerzity Nankai jsou spolu-prvními autory, zatímco profesoři Zhang Xinzheng, Chen Zhigang a Xu Jingjun jsou odpovídajícími autory. Výzkum získal podporu od Národního klíčového programu výzkumu a vývoje Číny, Čínské národní nadace pro přírodní vědy, klíčového projektu Nadace přírodních věd v Tianjinu, Čínské postdoktorandské vědecké nadace a Slovinské výzkumné agentury.
Přeloženo s DeepL.com (bezplatná verze)
