Anvendelse af topologisk fysik til lasing skaber mere yderst effektive og robuste lasere

Israelske og amerikanske forskere har udviklet en ny, yderst effektivt sammenhængende og robust halvlederlasersystem:den topologiske isolatorlaser.

Resultaterne præsenteres i to nye fælles forskningsartikler, den ene beskriver teori og de andre eksperimenter, udgivet online i dag af det prestigefyldte tidsskrift Videnskab .

Topologiske isolatorer er et af de mest innovative og lovende fysikområder i de seneste år, giver ny indsigt i den grundlæggende forståelse af beskyttet transport. Disse er specielle materialer, der er isolatorer i deres indre, men leder en "superstrøm" på deres overflade:strømmen på deres overflade påvirkes ikke af defekter, skarpe hjørner eller uorden den fortsætter ensrettet uden at blive spredt.

Undersøgelserne blev udført af professor Mordechai Segev, fra Technion - Israel Institute of Technology, og hans team:Dr. Miguel A. Bandres og Gal Harari, i samarbejde med professorerne Demetrios N. Christodoulides og Mercedeh Khajavikhan og deres studerende Steffen Wittek, Midya Parto og Jinhan Ren på CREOL, College of Optics and Photonics, University of Central Florida, sammen med forskere fra USA og Singapore.

For flere år siden, den samme gruppe fra Technion introducerede disse ideer i fotonik, og demonstrerede en fotonisk topologisk isolator, hvor lys bevæger sig rundt om kanterne på et todimensionalt array af bølgeledere uden at blive påvirket af defekter eller lidelse.

Nu, forskerne har fundet en måde at bruge egenskaberne ved fotoniske topologiske isolatorer til at bygge en ny type laser, der viser en unik grundlæggende adfærd og i høj grad forbedrer robustheden og ydeevnen for laserarrays, åbner døren for et stort antal fremtidige applikationer.

"Dette nye lasersystem gik imod al almindelig viden om topologiske isolatorer, "sagde prof. Segev." I en nøddeskal, de unikke robusthedsegenskaber ved topologiske isolatorer antages at mislykkes, når systemet indeholder forstærkning, som alle lasere skal have. Men vi har vist, at denne særlige robusthed overlever i lasersystemer, der har et specielt ("topologisk") design, og er i stand til at gøre laserne meget mere effektive, mere sammenhængende, og samtidig immun over for alle former for fabrikationsfejl, fejl og lignende. Dette ser ud til at være en spændende vej til at få arrays af miniaturelasere til at arbejde sammen som en:en enkelt meget sammenhængende højeffektlaser. "

I deres forskning, forskerne byggede et særligt udvalg af mikroringresonatorer, hvis lasertilstand udviser topologisk beskyttet transport-lys forplanter sig i en retning langs kanterne af laserarrayet, immun mod defekter og lidelse og upåvirket af kanternes form. Dette igen, som de eksperimentelt viste, fører til yderst effektiv single-mode lasing, der holder højt over lasertærsklen. "Det er en stor fornøjelse at se, at grundforskning finder ud af at have så dybe, men håndgribelige anvendelser," sagde prof. Christodouldies fra UCF.

Det fremstillede array brugte standard halvledermaterialer, uden behov for magnetfelter eller eksotiske magneto-optiske materialer; derfor kan den integreres i halvlederanordninger. "I de seneste år, vi har fundet nye tricks til at manipulere lys på en hidtil uset måde. Her, ved at bruge smarte designs, vi narrede fotoner til at føle, som om de oplever et magnetfelt, og de har spin, "sagde prof. Khajavikhan, en af ​​teamets ledende forskere.

Forskerne demonstrerede, at topologiske isolatorlasere ikke kun er teoretisk mulige og eksperimentelt mulige, men at integrering af disse egenskaber skaber mere yderst effektive lasere. Som sådan, resultaterne af undersøgelsen baner vej mod en ny klasse aktive topologiske fotoniske enheder, der kan integreres med sensorer, antenner og andre fotoniske enheder.