Onlangs heeft een team onder leiding van de professoren Zhang Xinzheng, Chen Zhigang en Xu Jingjun van de School of Physical Sciences van de Nankai Universiteit, in samenwerking met professor Irena Drevenšek Olenik van het Stefan Instituut in Slovenië, voor het eerst een circulair gepolariseerde, flexibele topologische verticale-cavity oppervlak-emitting laser (VCSEL) met hoge laserconversie-efficiëntie gedemonstreerd. De onderzoeksresultaten, getiteld 'Soft{3}}Matter-Based Topological Vertical Cavity Surface Emitting Lasers', zijn gepubliceerd in Light: Science & Applications en geselecteerd als omslagartikel voor het tweede nummer.
Deze topologische VCSEL is gebaseerd op een een-dimensionale optische superroosterstructuur bestaande uit een film van polymeer cholesterisch vloeibaar kristal (PCLC), spin-gecoat met een fluorescerend versterkingsmedium en een commerciële Mylar-film. Het superrooster beschikt over een gemoduleerde potentiaalbron die de inversiesymmetrie doorbreekt, analoog aan Semenov-isolatoren en het Quantum Valley Hall-effect in twee-dimensionale synthetische parameterruimte. Ze tonen aan dat deze topologische VCSEL uitstekende laseremissie in single-mode handhaaft bij lage pompvermogens. Deze dunne-film-topologische VCSEL biedt met name extreem lage productiekosten, vereist geen complexe fabricagetechnieken, kan eenvoudig worden geïntegreerd op substraten van welke vorm dan ook, en behoudt de gewenste laserkarakteristieken en het vermogen om de straal te sturen, zelfs na meerdere buigingen.
Met de voortdurende vooruitgang van de optische informatietechnologie en de groeiende vraag naar miniaturisatie, lichtgewicht ontwerp en integratie in fotonische chips heeft de ontwikkeling van on-chiplasers steeds meer aandacht gekregen. De huidige on-chip-lasers worden echter nog steeds geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen, waaronder een laag uitgangsvermogen en slechte stabiliteit. Topologisch beschermde lasers bieden een effectieve ontwerpaanpak om hoge stabiliteit en een lage drempel te bereiken op-chiplasers. Echter, beperkt door halfgeleidermaterialen, vereist de fabricage van de meeste topologische VCSEL's momenteel complexe en nauwkeurige processen. Hun lasergolflengten zijn voornamelijk beperkt tot de nabij-infrarode band, en ze bezitten vaste geometrieën die niet in staat zijn tot translatiebundelsturing. Daarom heeft de goedkope-ontwikkeling van mechanisch flexibele, polarisatie-behoudende en lichtgewicht op-chiptopologische VCSEL's met behulp van materialen uit zachte materie en nieuwe principes aanzienlijke theoretische en praktische waarde.
Fundamenteel constructieprincipe en syntheseparameter Ruimte van één-dimensionale flexibele optische superroosters
Tijdens het onderzoek stapelde het team eerst Mylar-films van twee verschillende diktes op dunne PCLC-films om een een-dimensionale binaire optische superroosterstructuur te vormen die de ruimtelijke inversiesymmetrie doorbreekt. Door koppelingscoëfficiëntmodulatie te introduceren om een synthetische parameterruimte te construeren, hebben ze het verschil in topologische eigenschappen tussen AB- en BA-superroosters met hetero{2}}plaatspotentialen opgehelderd, analoog aan het quantum valley Hall-effect in twee-dimensionale hexagonale roosters. Vervolgens voegden ze AB- en BA-superroosters samen met verschillende topologische eigenschappen-de ene met gelijke koppeling en de andere met hetero-site-potentialen- om topologisch beschermde interfacetoestanden te genereren. Deze grensvlaktoestanden vertonen een hoge lokalisatie binnen de bandafstand en demonstreren robuustheid tegen structurele wanorde, waardoor een ideale optische holtemodus wordt geboden voor laseroscillatie. Experimenteel vervaardigde het team een flexibel laserapparaat met 17 lagen door de versterkingskleurstof PM597 spin-te spincoaten op een PCLC-dunnefilmoppervlak. Onder gepulseerd laserpompen bij 532 nm behaalde het apparaat linkshandig circulair gepolariseerde topologische laseruitvoer bij 575,4 nm met een drempel zo laag als 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), met een hellingsefficiëntie van 4,0%. De laserstraal vertoont een uitstekende directionaliteit, waarbij de ruimtelijke verdeling zeer consistent is met de vorm van de pompspot, wat potentiële toepassingen in beeldoverdracht en weergave aantoont. Bovendien verlichtte het pomplicht, door de richting van de pomplaser te fixeren terwijl de film van onder naar boven werd gebogen en verplaatst, vijf verschillende gebieden (I-V) van het monster, waardoor de uitgezonden laser opeenvolgend van onder naar boven op het optische scherm bewoog. Het aanpassen van de kromtestraal van de VCSEL-film regelt de stuurhoek van de straal verder. Deze eigenschap zorgt ervoor dat de topologische VCSEL laserlicht onder meerdere hoeken kan uitzenden zonder het laserapparaat te draaien. Met name vertoont de topologische VCSEL thermische stabiliteit, waarbij de oorspronkelijke laserprestaties behouden blijven, zelfs na langdurig pompen. Deze kenmerken maken integratie mogelijk met verschillende draagbare fotonische apparaten voor toepassingen zoals draagbare beeldschermen, elektronische anti-namaak en laserscannen.
Toepassingsdemonstratie van flexibele topologische VCSEL
Dit werk werd voornamelijk uitgevoerd aan de Nankai Universiteit. Postdoctoraal onderzoeker Wang Yu en professor Xia Shiqi van de Nankai Universiteit zijn de co-eerste auteurs, terwijl professoren Zhang Xinzheng, Chen Zhigang en Xu Jingjun de corresponderende auteurs zijn. Het onderzoek kreeg steun van het National Key R&D Program of China, de National Natural Science Foundation of China, het Key Project van de Tianjin Natural Science Foundation, de China Postdoctoral Science Foundation en het Sloveense Onderzoeksbureau.
Vertaald met DeepL.com (gratis versie)
