Topologische Bulk-BICs ermöglichen kompakte, Single-Mode- und Beam-Engineering-QCLs

Elektrisch gepumpte Halbleiterlaser gehören aufgrund ihrer hohen Effizienz, Kompaktheit und Festkörperstabilität zu den wichtigsten Quellen. Für mittlere Infrarot- und Terahertz-Strahlung sind Quantenkaskadenlaser (QCLs) die wichtigsten Lichtquellen, die mit elektrischem Pumpen arbeiten. Um die Einmoden-Laseremission zu demonstrieren, können künstlich gestaltete DFB-Gitter (Distributed Feedback) auf einem Gratlaser strukturiert werden.

Solche DFB-basierten QCLs können zu einer Ausgangsemission im nahezu Watt-Bereich führen und gleichzeitig die Singlemode-Emission beibehalten. Zusätzlich zum Single-Mode-Betrieb erfordert die Forschung an QCLs jedoch immer noch nicht triviale Strahltechnik (z. B. zirkular polarisierte Strahlen, Wirbelstrahlen und andere Vektorstrahlen) und eine hohe optische Emission von einem einzelnen Lasergerät, was sehr erwünscht ist fortgeschrittene optoelektronische Anwendungen wie Kommunikation, Bildgebung, Spektroskopie usw.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Lichtwissenschaft und Anwendunghat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Qi Jie Wang von der School of Electrical and Electronic Engineering der Nanyang Technological University, Singapur, einen elektrisch gepumpten kompakten topologischen Massenlaser entwickelt, der gleichzeitig eine Single-Mode-Emission und einen zylindrischen Vektorstrahl über die gesamte Fläche bietet Dynamikbereich.

„Die Entwicklung elektrisch gepumpter topologischer Isolatorlaser hat in letzter Zeit großes Forschungsinteresse geweckt, da sie als eine vielversprechende Richtung mit großen Aussichten gilt, die Grenzen der topologischen Photonik in praktische Anwendungen zu verschieben. Die photonische Topologie hat ihren Ursprung in der Physik der kondensierten Materie. Durch richtige Konstruktion.“ „Wenn wir einen topologischen photonischen Hohlraum schaffen und ihn mit Verstärkungsmaterialien integrieren, können wir ihn zum Lasern bringen“, erklärten die Forscher.

„Mittlerweile ermöglicht die photonische Bandtopologie einen robusten Schutz der optischen Moden vor Defekten, Störungen und scharfen Biegungen. In einer weiteren unabhängigen Arbeit unseres Teams haben wir gezeigt, dass topologische Randzustände Terahertz-QCLs tatsächlich eine beispiellose Robustheit verleihen. Jetzt im In der neu vorgestellten Arbeit richten wir unsere Aufmerksamkeit auf die topologischen Volumenbandkanten, die die bekannte topologische Volumenkantenkorrespondenz widerspiegeln.

„Wir zeigen, dass die bandinvertierten topologischen Bandkanten hohe Qualitätsfaktoren unterstützen, was sie im Gewinnwettbewerb im Vergleich zu allen anderen photonischen Modi vorteilhaft macht. Wir verwenden den häufig verwendeten QCL-Wafer, der mit doppelten Metallschichten ummantelt ist. Der topologische photonische Hohlraum.“ „Mit der nicht-trivialen Domäne, die von der trivialen Domäne umgeben ist, werden Luftzylinderlöcher aus der Oberflächenemissionsfacette geätzt“, erklärten die Forscher.

„Es gibt mehrere Vorteile, so etwas zu konstruieren [a] Gerät“, fuhren sie fort. „Erstens kann sich ein im topologischen Bereich vorhandener optischer Modus aufgrund seiner unterschiedlichen topologischen Phasen nicht in lateraler Richtung in den trivialen Bereich ausbreiten.“ Dies führt zu einer seitlichen Begrenzung der gewünschten optischen Moden im topologischen Bereich. Zweitens sind die Bandkantenmoden, da sie eine Symmetrieinkompatibilität für unendliche Q-Faktoren und eine Singularität der Fernfeldpolarisation im Impulsraum aufweisen, die bekannten gebundenen Zustände im Kontinuum (BICs), die für vertikale Begrenzungen sorgen. Beide Mechanismen sind für die Miniaturisierung von Lasergeräten und die Einmoden-Laseremission äußerst wünschenswert. „Interessanterweise emittiert die Fernfeldtopologie, also die Polarisationssingularität, des BIC einen Vektorstrahl“, fügten sie hinzu.

„Die Demonstration eines monolithischen Terahertz-Vektorstrahllasers wird großes Interesse aus verschiedenen Forschungsbereichen wecken. Grundsätzlich basiert unser Laserresonatordesign nur auf der dielektrischen Brechungsindexmodulation. Daher kann es leicht auf andere Wellenlängenbereiche skaliert werden, wie z mittleres Infrarot, das nahe Infrarot und die sichtbaren Regionen, die für weitere potenzielle Anwendungen entwickelt werden könnten“, schlussfolgerten die Wissenschaftler.