Ny laser baseret på usædvanligt fysikfænomen kunne forbedre telekommunikation, computing

Forskere ved University of California San Diego har demonstreret verdens første laser baseret på et ukonventionelt bølgefysisk fænomen kaldet bundne tilstande i kontinuum. Teknologien kan revolutionere udviklingen af ​​overfladelasere, gør dem mere kompakte og energieffektive til kommunikations- og computerapplikationer. De nye BIC-lasere kan også udvikles som lasere med høj effekt til industrielle og forsvarlige applikationer.

"Lasere er allestedsnærværende i nutidens verden, fra simple hverdagslaserpegere til komplekse laserinterferometre, der bruges til at detektere gravitationsbølger. Vores nuværende forskning vil påvirke mange områder inden for laserapplikationer, "sagde Ashok Kodigala, en elektroteknik ph.d. studerende ved UC San Diego og første forfatter af undersøgelsen.

"Fordi de er utraditionelle, BIC -lasere tilbyder unikke og hidtil usete egenskaber, der endnu ikke er blevet realiseret med eksisterende laserteknologier, "sagde Boubacar Kanté, elektroteknisk professor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, der ledede forskningen.

For eksempel, BIC -lasere kan let indstilles til at udsende stråler med forskellige bølgelængder, en nyttig funktion til medicinske lasere lavet til præcist at målrette kræftceller uden at beskadige normalt væv. BIC -lasere kan også laves til at udsende stråler med specielt konstruerede former (spiral, donut- eller klokkekurve) - kaldet vektorstråler - som kunne muliggøre stadig mere kraftfulde computere og optiske kommunikationssystemer, der kan bære op til 10 gange mere information end eksisterende.

"Lyskilder er nøglekomponenter i optisk datakommunikationsteknologi i mobiltelefoner, computere og astronomi, for eksempel. I dette arbejde, vi præsenterer en ny form for lyskilde, der er mere effektiv end hvad der er tilgængelig i dag med hensyn til strømforbrug og hastighed, "sagde Babak Bahari, en elektroteknik ph.d. studerende i Kantés laboratorium og medforfatter af undersøgelsen.

Bundede tilstande i kontinuum (BIC'er) er fænomener, der er forudsagt at eksistere siden 1929. BIC'er er bølger, der forbliver fuldstændigt begrænsede, eller bundet, i et åbent system. Konventionelle bølger i et åbent system undslipper, men BIC'er trodser denne norm - de forbliver lokaliseret og undslipper ikke på trods af at de har åbne veje til at gøre det.

I en tidligere undersøgelse, Kanté og hans team demonstrerede, ved mikrobølgefrekvenser, at BIC'er kunne bruges til effektivt at fange og opbevare lys for at muliggøre stærk lys-stof-interaktion. Nu, de udnytter BIC'er til at demonstrere nye typer lasere. Holdet udgav værket 12. januar i Natur .

Fremstilling af BIC -laseren

BIC -laseren i dette værk er konstrueret af en tynd halvledermembran lavet af indium, gallium, arsen og fosfor. Membranen er opbygget som en vifte af nanostørrelsescylindere, der er ophængt i luft. Cylindrene er forbundet med et netværk af støttebroer, som giver enheden mekanisk stabilitet.

Ved at drive membranen med en højfrekvent laserstråle, forskere fik BIC -systemet til at udsende sin egen lavere frekvens laserstråle (ved telekommunikationsfrekvens).

"Lige nu, dette er et bevis på konceptdemonstration for, at vi faktisk kan opnå laserhandling med BIC'er, "Sagde Kanté.

"Og det bemærkelsesværdige er, at vi kan få overfladelasning til at forekomme med arrays så små som 8 × 8 partikler, sagde han. Til sammenligning overfladelaserne, der er meget udbredt i datakommunikation og højpræcisionsmåling, kaldet VCSEL'er (overfladeemitterende lasere med lodret hulrum), har brug for meget større (100 gange) arrays - og dermed mere strøm - for at opnå lasning.

"Den populære VCSEL kan en dag blive erstattet af det, vi kalder 'BICSEL' -bunden tilstand i den kontinuum overfladeemitterende laser, hvilket kan føre til mindre enheder, der bruger mindre strøm, "Sagde Kanté. Teamet har indgivet patent på den nye type lyskilde.

Arrayen kan også skaleres i størrelse for at skabe lasere med høj effekt til industrielle og forsvarlige applikationer, bemærkede han. "En grundlæggende udfordring inden for lasere med høj effekt er opvarmning og med den forudsagte effektivitet af vores BIC -lasere, en ny æra af laserteknologier kan blive mulig, "Sagde Kanté.

Holdets næste trin er at lave BIC -lasere, der er elektrisk drevne, frem for optisk drevet af en anden laser. "En elektrisk pumpet laser er let at transportere uden for laboratoriet og kan køre fra en konventionel batterikilde, "Sagde Kanté.