Gần đây, một nhóm do các Giáo sư Zhang Xinzheng, Chen Zhigang và Xu Jingjun từ Trường Khoa học Vật lý tại Đại học Nankai dẫn đầu, phối hợp với Giáo sư Irena Drevenšek Olenik từ Viện Stefan ở Slovenia, đã lần đầu tiên trình diễn một loại tia laser phát ra-bề mặt khoang{1}}lỗng dọc linh hoạt phân cực tròn (VCSEL) với hiệu suất chuyển đổi tia laser cao. Các kết quả nghiên cứu có tiêu đề "Laser phát ra bề mặt khoang dọc dựa trên vật chất-vật chất{4}}mềm" đã được xuất bản trên tạp chí Light: Science & Application và được chọn làm bài viết trang bìa cho số thứ hai.
VCSEL cấu trúc liên kết này dựa trên một-cấu trúc siêu mạng quang học một chiều bao gồm spin màng tinh thể lỏng cholesteric (PCLC)-được phủ một môi trường khuếch đại huỳnh quang và màng Mylar thương mại. Siêu mạng có giếng thế được điều chế phá vỡ tính đối xứng nghịch đảo, tương tự như chất cách điện Semenov và hiệu ứng Hall thung lũng lượng tử trong không gian tham số tổng hợp hai{3}}chiều. Họ chứng minh rằng VCSEL cấu trúc liên kết này duy trì khả năng phát tia laser-chế độ đơn tuyệt vời ở công suất bơm thấp. Đáng chú ý, VCSEL cấu trúc liên kết màng mỏng-này có chi phí sản xuất cực thấp, không yêu cầu kỹ thuật chế tạo phức tạp, có thể dễ dàng tích hợp vào các chất nền có hình dạng bất kỳ và vẫn giữ được các đặc tính laser mong muốn cũng như khả năng điều khiển chùm tia ngay cả sau nhiều lần uốn cong.
Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ thông tin quang học và nhu cầu ngày càng tăng về thu nhỏ, thiết kế nhẹ và tích hợp trong chip quang tử, sự phát triển của laser trên{0}}chip đã thu hút được sự chú ý ngày càng tăng. Tuy nhiên, laser trên{2}}chip hiện tại vẫn phải đối mặt với những thách thức đáng kể, bao gồm công suất đầu ra thấp và độ ổn định kém. Laser được bảo vệ theo cấu trúc liên kết cung cấp một phương pháp thiết kế hiệu quả để đạt được độ ổn định cao và ngưỡng thấp đối với-laser chip. Tuy nhiên, bị hạn chế bởi vật liệu bán dẫn, việc chế tạo hầu hết các VCSEL tôpô hiện nay đòi hỏi các quy trình phức tạp và chính xác. Các bước sóng phát laser của chúng chủ yếu bị giới hạn trong dải-hồng ngoại gần và chúng có dạng hình học cố định không có khả năng điều khiển chùm tia tịnh tiến. Do đó, việc phát triển-chi phí thấp của việc duy trì{10}}độ linh hoạt về mặt cơ học, khả năng duy trì{10}}và trọng lượng nhẹ trên-các VCSEL cấu trúc liên kết chip bằng cách sử dụng vật liệu vật chất mềm và các nguyên tắc mới có giá trị lý thuyết và thực tiễn quan trọng.
Nguyên lý xây dựng cơ bản và không gian tham số tổng hợp của một-Siêu mạng quang linh hoạt có chiều
Trong quá trình nghiên cứu, trước tiên, nhóm nghiên cứu đã xếp chồng các màng Mylar có hai độ dày khác nhau với các màng mỏng PCLC để tạo thành cấu trúc siêu mạng quang học nhị phân một chiều phá vỡ tính đối xứng nghịch đảo không gian. Bằng cách giới thiệu phương pháp điều chế hệ số ghép để xây dựng không gian tham số tổng hợp, họ đã làm sáng tỏ sự khác biệt về đặc tính tôpô giữa các siêu mạng AB và BA với thế năng vị trí-dị loại, tương tự như hiệu ứng Hall thung lũng lượng tử trong mạng lục giác hai{3}}chiều. Sau đó, họ kết hợp các siêu mạng AB và BA với các thuộc tính tôpô khác nhau-một thuộc tính có khả năng ghép bằng nhau và thuộc tính còn lại có-tiềm năng vị trí-khác nhau để tạo ra các trạng thái giao diện được bảo vệ theo cấu trúc liên kết. Các trạng thái giao diện này thể hiện tính định vị cao trong vùng cấm và thể hiện sự mạnh mẽ chống lại sự rối loạn cấu trúc, cung cấp chế độ khoang quang lý tưởng cho dao động laser. Trong thực nghiệm, nhóm đã chế tạo một thiết bị laze linh hoạt có 17 lớp bằng cách phủ-spin lên thuốc nhuộm khuếch đại PM597 lên bề mặt màng mỏng PCLC. Trong điều kiện bơm laser xung 532 nm, thiết bị đã đạt được công suất laser tôpô phân cực tròn thuận tay trái ở bước sóng 575,4 nm với ngưỡng thấp tới 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), cho thấy hiệu suất độ dốc là 4,0%. Chùm tia laser thể hiện tính định hướng tuyệt vời, với sự phân bố không gian rất phù hợp với hình dạng điểm bơm, thể hiện các ứng dụng tiềm năng trong truyền tải và hiển thị hình ảnh. Hơn nữa, bằng cách cố định hướng tia laser bơm trong khi uốn và di chuyển màng từ dưới lên trên, đèn bơm chiếu sáng năm vùng riêng biệt (I{22}}V) của mẫu, khiến tia laser phát ra di chuyển tuần tự từ dưới lên trên trên màn hình quang học. Việc điều chỉnh bán kính cong của màng VCSEL sẽ kiểm soát thêm góc lái của chùm tia. Đặc tính này cho phép VCSEL tôpô phát ra ánh sáng laser ở nhiều góc độ mà không cần xoay thiết bị laser. Đáng chú ý, VCSEL tôpô thể hiện tính ổn định nhiệt, duy trì hiệu suất laser ban đầu ngay cả sau khi bơm kéo dài. Những đặc điểm này cho phép tích hợp với nhiều thiết bị quang tử có thể đeo khác nhau cho các ứng dụng như màn hình có thể đeo, chống hàng giả điện tử và quét laze.
Trình diễn ứng dụng topo linh hoạt VCSEL
Công việc này chủ yếu được thực hiện tại Đại học Nankai. Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Wang Yu và Giáo sư Xia Shiqi của Đại học Nankai là đồng tác giả đầu tiên, trong khi các Giáo sư Zhang Xinzheng, Chen Zhigang và Xu Jingjun là các tác giả tương ứng. Nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ từ Chương trình R&D trọng điểm quốc gia của Trung Quốc, Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc, Dự án trọng điểm của Quỹ khoa học tự nhiên Thiên Tân, Quỹ khoa học sau tiến sĩ Trung Quốc và Cơ quan nghiên cứu Slovenia.
Được dịch bằng DeepL.com (phiên bản miễn phí)
