Dzięki izolatorom topologicznym udało się połączyć 30 laserów w 1 o większej mocy
VCSEL to najpopularniejszy typ laserów. Znajdziemy je w smartfonach, sieciach komputerowych czy urządzeniach medycznych. Emitują światło z kwantowych studni lub kropek umieszczonych pomiędzy lustrami. Studnie i kropki są niezwykle małe, ich wielkość mierzy się w ułamkach mikrometrów. To z jednej strony zaleta, pozwalająca na miniaturyzację i dużą prędkość pracy, jednak z drugiej strony rozmiar ogranicza moc lasera. Teraz, po dziesięcioleciach prac, udało się opracować rozwiązanie, które pozwoli zwiększyć moc VCSEL, znajdą więc one zastosowanie tam, gdzie stosowane dotychczas być nie mogły.
Przez dekady naukowcy próbowali zwiększyć moc VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) poprzez wymuszenie na nich pracy grupowej. Chcieli połączyć wiele laserów w jeden, o zwielokrotnionej mocy. Niestety, minimalne niedokładności w procesach produkcyjnych powodowały, że lasery takie pracowały w niewielkich niezależnych od siebie grupach, których emisja nie była ze sobą zsynchronizowana. Niemożliwe było wiec uzyskanie spójnego promienia laserowego.
Dopiero teraz naukowcy pracujący pod kierunkiem Sebastiana Klembta z Uniwersytetu w Würzburgu i Mordechaia Segeva z Izraelskiego Instytutu Technologii Technion, opracowali metodę na wymuszanie spójnej pracy 30 VCSEL. Udało im się to dzięki ułożeniu laserów tak, by geometria całości była zgodna z tym, czego uczeni dowiedzieli się z badań nad izolatorami topologicznymi.
Izolatory topologiczne to niezwykłe materiały. Są jednorodne, a mimo to wewnątrz są izolatorami, podczas gdy ich powierzchnia jest przewodnikiem. Materiały takie odkryto dawno, ale historia ich zastosowania w laserach liczy sobie zaledwie 8 lat gdy Segev i naukowcy z Uniwersytetu w Rostocku zaprezentowali pierwszy fotoniczny izolator topologiczny. W laserze tym światło wędrowało wzdłuż krawędzi dwuwymiarowej macierzy falowodów i nie było zakłócane przez ich niedoskonałości. Kilka lat później Segev wraz z inną już grupą współpracowników pokazał, że możliwe jest zmuszenie wielu takich laserów do współdziałania. Jednak system miał poważne ograniczenia. Światło krążyło w płaszczyźnie układu, który je generował. To zaś oznaczało, że moc systemu była ograniczona przez wielkość urządzenia do emisji światła. Naukowcy porównują to do elektrowni, z której wychodzi tylko jedno gniazdko do podłączenia urządzenia.
Nowa topologiczna macierz VSCEL składa się z dwóch typów macierzy w kształcie plastra miodu, na wierzchołkach których umieszczono nanoskalowe kolumienki. Jednym z typów macierzy jest macierz rozciągnięta, drugim – ściśnięta. Uczeni stworzyli specjalny interfejs pomiędzy nimi. Gdy ma on odpowiednie parametry, otrzymujemy topologiczny interfejs, w którym światło musi przepływać pomiędzy laserami. Taki ciągły topologicznie chroniony przepływ światła powoduje, że światło każdego z laserów musi dotrzeć do wszystkich innych laserów, dzięki czemu otrzymujemy spójną wiązkę, wyjaśnia Segev. Obecnie więc światło krąży w całej macierzy, ale jest też emitowane przez każdy z laserów, wchodzących w jej skład.
Topologiczne założenia naszego lasera będą działały dla wszystkich długości fali i różnych materiałów. To, ile mikrolaserów możemy połączyć w macierz zależy wyłącznie od tego, jak mają być stosowane. Możemy stworzyć wielką macierz i powinna ona emitować spójne światło dla dużej liczby laserów. To wspaniałe, że topologia, która w przeszłości była wyłącznie dziedziną matematyki, staje się rewolucyjnym narzędziem pozwalającym na kontrolowanie i udoskonalanie laserów, cieszy się profesor Klembt.
Nasza praca to przykład potęgi topologicznego transportu światła. Niewielkie sprzężenie na płaszczyźnie wystarczy, by wymusić na macierzy indywidualnych źródeł emisji działanie w roli pojedynczego źródła, czytamy na łamach Science.
Komentarze (0)