Tự tổ chức đề cập đến hiện tượng cộng hưởng tập thể trong đó các phần tử riêng lẻ tự sắp xếp thành các mẫu có trật tự thông qua tương tác nội bộ. Tuy nhiên, sự đồng bộ hóa đa mode hỗn loạn trong các hộp laser bán dẫn truyền thống đã hạn chế hiệu suất của chúng trong các ứng dụng thực tế. Quang tử tôpô, bắt nguồn từ lý thuyết về các trạng thái tôpô trong vật lý vật chất ngưng tụ, sử dụng "bất biến tôpô" để mô tả cấu trúc dải của tinh thể quang tử. Cách tiếp cận này đưa ra một mô hình mới để xây dựng các trạng thái quang tử mạnh mẽ, đơn hướng và có tính cục bộ cao.
Gần đây, một nhóm do Viện sĩ Zheng Wanhua từ Viện Bán dẫn, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu, đã công bố công trình mang tính đột phá trên tạp chí Laser & Photonics Reviews. Họ đã quan sát thành công sự phát xạ laser-tự tổ chức dựa trên các trạng thái cạnh tôpô được định vị, đạt được sản lượng laser kết hợp-quy mô cao-lớn. Bước đột phá này giải quyết chính xác mâu thuẫn cốt lõi trong laser truyền thống-hạn chế lẫn nhau giữa công suất cao và độ kết hợp cao. -sự đánh đổi-thường do các hạn chế vật lý trong các thiết bị thông thường áp đặt. Bằng cách tận dụng cơ chế đồng bộ hóa tự tổ chức được hỗ trợ bởi các trạng thái cạnh tôpô được định vị và điều biến không{10}}Hermiti, nghiên cứu này duy trì cả lợi thế về tính gắn kết cao do khả năng bảo vệ tôpô và khả năng tự tổ chức mang lại. Đồng thời, nó mở rộng phân phối năng lượng thông qua việc định vị lại, cuối cùng hình thành một giải pháp kỹ thuật đổi mới giúp tối ưu hóa một cách tổng hợp "sự kết hợp năng lượng".
Hình 1 Sơ đồ đầu ra laser tôpô-tự tổ chức và các nguyên tắc cơ bản
Bắt đầu từ mô hình tôpô một chiều-Su{1}}Schrieffer-Heeger (SSH) cổ điển, nhóm nghiên cứu đã tận dụng khả năng bảo vệ đối xứng bất đối xứng của cấu trúc để điều chỉnh cường độ ghép nối trong mạng SSH, đạt được sự phân bố phi định vị của các trạng thái cạnh tôpô trong không gian thực. Đồng thời, thông qua quá trình điều chế phi Hermiti dựa trên các cấu trúc điện cực có hoa văn, các trạng thái rìa tôpô được định vị sẽ duy trì sự thống trị trên các nền rối loạn, thể hiện các kiểu tự tổ chức độc đáo. So với laser tinh thể quang tử có quy mô tương đương, laser tôpô này thể hiện sự kết hợp không gian cao hơn, dẫn đến ngưỡng thấp hơn, chế độ đầu ra không gian ổn định hơn và độ tương phản đốm cao hơn. Hơn nữa, nó mở rộng quy mô phân bố không gian của các trạng thái cạnh tôpô và kết hợp các bộ ghép dịch pha để nâng cao mật độ công suất quang đầu ra.
Hình 2 Sơ đồ thiết kế các trạng thái cạnh tôpô được định vị
Hình 3 So sánh laser tôpô với các thí nghiệm tinh thể quang tử ở quy mô tương đương
Cách tiếp cận này không chỉ đa dạng hóa các lộ trình kỹ thuật cho laser tôpô mà còn phù hợp với xu hướng quang tử tôpô thấm vào các chip quang tử tích hợp và bộ phát quang hiệu suất cao, thúc đẩy hơn nữa ứng dụng thực tế của vật lý tôpô trong quang tử học. Các phát hiện có tiêu đề "Sự phát laser tự tổ chức của trạng thái được định vị được kích hoạt bằng thao tác không có Hermiti và đối xứng đối xứng" đã được công bố trên Tạp chí Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202501772). Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Chen Jingxuan và nghiên cứu sinh tiến sĩ Tang Chenyan từ Viện Chất bán dẫn, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, là đồng tác giả đầu tiên. Nhà nghiên cứu trẻ Wang Mingjin và Viện sĩ Zheng Wanhua là đồng tác giả.
