For nylig har et team ledet af professorerne Zhang Xinzheng, Chen Zhigang og Xu Jingjun fra School of Physical Sciences ved Nankai University, i samarbejde med professor Irena Drevenšek Olenik fra Stefan Institute i Slovenien, for første gang demonstreret en cirkulært polariseret fleksibel topologisk vertikal-kavitetslaser-laser-overflade med høj effektivitets-laser-effektivitet{{1}. Forskningsresultaterne, med titlen "Soft-Matter-Based Topological Vertical Cavity Surface Emitting Lasers," blev offentliggjort i Light: Science & Applications og udvalgt som omslagsartikel til det andet nummer.
Denne topologiske VCSEL er baseret på en en-dimensionel optisk supergitterstruktur sammensat af en polymer kolesterisk flydende krystal (PCLC)-filmspin-belagt med et fluorescerende forstærkningsmedium og en kommerciel Mylar-film. Supergitteret har en moduleret potentialbrønd, der bryder inversionssymmetri, analogt med Semenov-isolatorer og kvantedalen Hall-effekten i to-dimensionelt syntetisk parameterrum. De demonstrerer, at denne topologiske VCSEL opretholder fremragende enkelt--modus laseremission ved lave pumpekræfter. Det er bemærkelsesværdigt, at denne tynde-filmtopologiske VCSEL tilbyder ekstremt lave produktionsomkostninger, kræver ingen komplekse fremstillingsteknikker, kan nemt integreres på underlag af enhver form og bevarer sine ønskede laserkarakteristika og strålestyringsevne selv efter flere bøjninger.
Med den kontinuerlige udvikling af optisk informationsteknologi og den stigende efterspørgsel efter miniaturisering, letvægtsdesign og integration i fotoniske chips har udviklingen af-chiplasere fået stigende opmærksomhed. Nuværende på-chiplasere står dog stadig over for betydelige udfordringer, herunder lav udgangseffekt og dårlig stabilitet. Topologisk beskyttede lasere tilbyder en effektiv designtilgang til at opnå høj stabilitet og lav tærskel på-chiplasere. Imidlertid, begrænset af halvledermaterialer, kræver fremstillingen af de fleste topologiske VCSEL'er i øjeblikket komplekse og præcise processer. Deres laserbølgelængder er primært begrænset til det nære-infrarøde bånd, og de har faste geometrier, der ikke er i stand til translationel strålestyring. Derfor har den billige-udvikling af mekanisk fleksible, polarisationsvedligeholdende-og letvægtspå-chiptopologiske VCSEL'er, der anvender blødt stofmaterialer og nye principper, betydelig teoretisk og praktisk værdi.
Grundlæggende konstruktionsprincip og synteseparameterrum af en-dimensionelle fleksible optiske supergitter
Under forskningen stablede teamet først Mylar-film af to forskellige tykkelser med tynde PCLC-film for at danne en en-dimensionel binær optisk supergitterstruktur, der bryder rumlig inversionssymmetri. Ved at introducere koblingskoefficientmodulation for at konstruere et syntetisk parameterrum, belyste de forskellen i topologiske egenskaber mellem AB- og BA-supergitter med hetero-sitepotentialer, analogt med kvantedalen Hall-effekten i to-dimensionelle sekskantede gitter. Efterfølgende forenede de AB- og BA-supergitter med forskellige topologiske egenskaber-den ene med ens kobling og den anden med hetero-sitepotentialer-for at generere topologisk beskyttede grænsefladetilstande. Disse grænsefladetilstande udviser høj lokalisering inden for båndgabet og demonstrerer robusthed mod strukturel forstyrrelse, hvilket giver en ideel optisk hulrumstilstand til laseroscillation. Eksperimentelt fremstillede teamet en fleksibel laserenhed med 17 lag ved at spinde-coating gain-farvestoffet PM597 på en PCLC-tyndfilmoverflade. Under 532 nm pulseret laserpumpning opnåede enheden venstrehånds-cirkulært polariseret topologisk laseroutput ved 575,4 nm med en tærskel så lav som 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), hvilket udviste en hældningseffektivitet på 4,0 %. Laserstrålen udviser fremragende retningsbestemthed, med dens rumlige fordeling, der er meget konsistent med pumpepletformen, hvilket viser potentielle anvendelser inden for billedtransmission og visning. Ved at fiksere pumpelaserretningen, mens filmen bøjes og flyttes fra bund til top, oplyste pumpelyset desuden fem forskellige områder (I-V) af prøven, hvilket fik den udsendte laser til at bevæge sig sekventielt fra bund til top på den optiske skærm. Justering af krumningsradius for VCSEL-filmen kontrollerer strålens styrevinkel yderligere. Denne egenskab gør det muligt for den topologiske VCSEL at udsende laserlys i flere vinkler uden at rotere laserenheden. Navnlig udviser den topologiske VCSEL termisk stabilitet og bevarer sin oprindelige laserydelse selv efter længere tids pumpning. Disse egenskaber muliggør integration med forskellige bærbare fotoniske enheder til applikationer såsom bærbare skærme, elektronisk anti-forfalskning og laserscanning.
Anvendelsesdemonstration af fleksibel topologisk VCSEL
Dette arbejde blev primært udført på Nankai University. Postdoc-forsker Wang Yu og professor Xia Shiqi fra Nankai University er de første-medforfattere, mens professorerne Zhang Xinzheng, Chen Zhigang og Xu Jingjun er de tilsvarende forfattere. Forskningen modtog støtte fra Kinas nationale nøgleforsknings- og udviklingsprogram, Kinas nationale naturvidenskabelige fond, nøgleprojektet fra Tianjin Natural Science Foundation, China Postdoctoral Science Foundation og det slovenske forskningsagentur.
Oversat med DeepL.com (gratis version)
