Nanophotonische Lichtemitter sind kompakte und vielseitige Geräte mit weitreichende Anwendungen in der angewandten Physik. In einem neuen Bericht, der jetzt auf veröffentlicht wurde Wissenschaftliche FortschritteKi Young Lee und ein Forschungsteam in Physik und Technik in China und Großbritannien schlugen vor, eine topologische Strahlemitterstruktur mit einer Größe im Submikrometerbereich und hoher Effizienz mit anpassbarer Strahlformungskapazität zu entwickeln.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglichte einen äußerst wünschenswerten und effizienten Mikrolichtemitter zur Erkennung einer Vielzahl von Anwendungen, darunter Displays, Festkörper-Lichterkennung, optische Verbindungen und Telekommunikation.
Photonische topologische Phänomene
Topologische Grenzflächenzustände haben eine bemerkenswert hohe Robustheit gegenüber Umweltstörungen mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften. Viele Forscher in Mathematik und Photonik haben die photonischen topologischen Phänomene aufgrund ihres Potenzials für Telekommunikation, Datenverarbeitung und Sensoranwendungen ausführlich untersucht.
In dieser Studie erforschten Lee und Kollegen neuartige optische Eigenschaften im Fernfeld, die damit verbunden sind nicht hermitesch Topologische Photonik. Sie zeigten, wie a topologische Verbindungsmetaoberfläche aus zwei Resonanzgittern mit geführten Moden können als effiziente Lichtemitter im Submikrometerbereich mit hoher Quanteneffizienz und anpassbarer Strahlformungskapazität dienen.
Während der Experimente verwendete das Team einen Übergang, der zwei unterschiedliche Resonanzgitter mit geführten Moden enthielt, die ohne Öffnung direkt nebeneinander lagen. Bei solchen Strukturen ist das undicht Bundesstaat Jackiw-Rebbi (JR). an der Kreuzung; was entspricht ein historisch wichtiges relativistisches Modell– strahlte einen schmalen Lichtstrahl aus. Der Prozess wurde durch elektrodynamische Hohlraum-Quanten-Kopplung und elektromagnetische Trichtereffekte angetrieben. Das Team erforschte eine grundlegende Theorie der topologischen Strahlemission und führte während der Studie strenge numerische Analysen durch.
Leckstrahlung aus einem Jackiw-Rebbi (JR)-Zustand
Leeet al. untersuchten den undichten JR-Zustand, der an einer Metaoberfläche eines photonischen topologischen Übergangs lokalisiert ist, wo die Struktur einen hochindizierten Film beibehält. Unter bestimmten Bedingungen führte die Beugung erster Ordnung aus dem JR-Zustand zu Strahlleckstrahlung gegenüber dem umgebenden Hintergrundwodurch während der Untersuchung charakteristische Merkmale der Streustrahlung erfasst werden können.
Basierend auf der Schmalstrahlemission, die mit dem undichten JR-Zustand verbunden ist, untersuchte das Team die Emissionseigenschaften von Lichtquellen in der Nähe der topologischen Kreuzung. Sie benutzten die Finite-Elemente-Methode um das Strahlungsmuster zu berechnen, das einen schmalen Strahl zeigte, der im optischen Fernfeld emittiert wurde. Als nächstes offenbarte das Team die Möglichkeit, eine geeignete Struktur zu entwerfen, bei der zwei Gitterregionen eine identische Dirac-Masse haben würden, um eine ideale Symmetrie des emittierten Strahls zu erreichen.
Während dieser Experimente folgte die Schmalstrahlemission von isotropen Lichtquellen den genauen Beugungseigenschaften der Strahlungsleckage aus dem JR-Zustand. Das Team berücksichtigte auch externe Quellen für den vorgeschlagenen Strahleffekt, was sie durch die Einführung von Modifikationen am experimentellen Aufbau erreichten, einschließlich eines reduzierten Indexkontrasts und vertikal gekoppelter mehrschichtiger Wellenleiter, neben anderen Modifikationen.
Anpassbare Strahlformung
Das Konzept der Strahlformung ist für viele allgemeine Anwendungen von Lichtquellen wichtig. Der beschriebene topologische Strahleffekt bietet eine Möglichkeit, die Strahlform direkt von der Quelle aus zu regulieren. Die Wissenschaftler beschrieben die Dirac-Massenverteilung erforderlich, um das erwartete Strahlprofil zu erzeugen.
Um beispielsweise einen Flat-Top-Balken zu erzeugen, kann ein Null-Dirac-Massenbereich erweitert werden – über die gewünschte Breite und um den Übergang der Vorrichtung herum. Die Ergebnisse der Resonanz-Dirac-Massenregelung im geführten Modus können dadurch Strahlformungsanwendungen effizient erleichtern.
Ausblick
Auf diese Weise schlugen Ki Young Lee und Kollegen eine topologische Verbindungsmetaoberfläche für eine effiziente Strahlemission vor. Sie simulierten die charakteristischen Feldverteilungen eines leckenden Jackiw-Rabbi-Zustands an der Verbindungsstelle, um eine effiziente Lichtstrahlung von internen Emittern zu erreichen, indem sie eine elektrodynamische Hohlraum-Quanten-Kopplung mit elektromagnetischen Trichtereffekten integrieren.
Die vorgeschlagene Architektur ist für die Schaffung effizienter Mikrolichtemitter für eine starke Lokalisierung, hohe Quanteneffizienz und anpassbare Strahlformungskapazität von Bedeutung. Diese Eigenschaften sind für zahlreiche Anwendungen von Bedeutung, darunter die Entwicklung von Anzeigepixeln, Laserbearbeitung und Telekommunikationsanwendungen. Die vorgeschlagenen Vorrichtungen sind aufgrund ihres Wirkungsbereichs auch in der Lage, als effiziente optische Detektoren zu fungieren zeitumgekehrte Emitter, grundsätzlich. Die Wissenschaftler schlagen weitere Optimierungen der Studienergebnisse vor, um neue optische Effekte und begleitende Geräteanwendungen zu entwickeln, um bestehende technische Grenzen zu überschreiten.
Mehr Informationen:
Ki Young Lee et al, Topological beaming of light, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add8349
Alexander Cerjan et al, Experimentelle Realisierung eines außergewöhnlichen Weyl-Rings, Naturphotonik (2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0453-z
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