Recentemente, un team guidato dai professori Zhang Xinzheng, Chen Zhigang e Xu Jingjun della Scuola di scienze fisiche dell'Università di Nankai, in collaborazione con la professoressa Irena Drevenšek Olenik dell'Istituto Stefan in Slovenia, ha dimostrato per la prima volta un laser topologico flessibile a emissione superficiale-con cavità verticale (VCSEL) polarizzato circolarmente con un'elevata efficienza di conversione laser. I risultati della ricerca, intitolati "Laser a emissione di superficie con cavità verticale topologica basata sulla materia morbida" sono stati pubblicati su Light: Science & Applications e selezionati come articolo di copertina per il secondo numero.
Questo VCSEL topologico si basa su una struttura superreticolare ottica un-dimensionale composta da una pellicola polimerica di cristalli liquidi colesterici (PCLC) rivestita con spin-rivestita con un mezzo di guadagno fluorescente e una pellicola di Mylar commerciale. Il superreticolo presenta un pozzo di potenziale modulato che rompe la simmetria di inversione, analogamente agli isolanti di Semenov e all'effetto Hall della valle quantistica nello spazio dei parametri sintetici bidimensionali. Dimostrano che questo VCSEL topologico mantiene un'eccellente emissione laser monomodale-a basse potenze della pompa. In particolare, questo VCSEL topologico a film sottile-offre costi di produzione estremamente bassi, non richiede tecniche di fabbricazione complesse, può essere facilmente integrato su substrati di qualsiasi forma e mantiene le caratteristiche laser desiderate e la capacità di orientamento del raggio anche dopo molteplici piegature.
Con il continuo progresso della tecnologia informatica ottica e la crescente domanda di miniaturizzazione, design leggero e integrazione nei chip fotonici, lo sviluppo di laser su-chip ha attirato crescente attenzione. Tuttavia, gli attuali laser su chip- devono ancora affrontare sfide significative, tra cui una bassa potenza di uscita e una scarsa stabilità. I laser topologicamente protetti offrono un approccio progettuale efficace per ottenere laser su chip ad elevata stabilità e soglia bassa. Tuttavia, vincolata dai materiali semiconduttori, la fabbricazione della maggior parte dei VCSEL topologici richiede attualmente processi complessi e precisi. Le loro lunghezze d'onda laser sono limitate principalmente alla banda del vicino-infrarosso e possiedono geometrie fisse incapaci di orientare il raggio traslazionale. Pertanto, lo sviluppo a basso-costo di VCSEL topologici su chip meccanicamente flessibili, che mantengono la polarizzazione-e leggeri su-chip utilizzando materiali di materia soffice e nuovi principi ha un notevole valore teorico e pratico.
Principio fondamentale di costruzione e spazio dei parametri di sintesi dei superreticoli ottici flessibili unidimensionali
Durante la ricerca, il team ha prima impilato film di Mylar di due diversi spessori con film sottili PCLC per formare una struttura superreticolare ottica binaria unidimensionale che rompe la simmetria di inversione spaziale. Introducendo la modulazione del coefficiente di accoppiamento per costruire uno spazio parametrico sintetico, hanno chiarito la differenza nelle proprietà topologiche tra i superreticoli AB e BA con potenziali etero-sito, analoghi all'effetto Hall della valle quantistica nei reticoli esagonali bi-dimensionali. Successivamente, hanno unito i superreticoli AB e BA con diverse proprietà topologiche-uno con accoppiamento uguale e l'altro con potenziali etero-sito-per generare stati di interfaccia topologicamente protetti. Questi stati dell'interfaccia mostrano un'elevata localizzazione all'interno del bandgap e dimostrano robustezza contro il disordine strutturale, fornendo una modalità di cavità ottica ideale per l'oscillazione del laser. In via sperimentale, il team ha fabbricato un dispositivo laser flessibile con 17 strati mediante spin-rivestimento del colorante di guadagno PM597 su una superficie di pellicola sottile PCLC. Con il pompaggio laser pulsato a 532 nm, il dispositivo ha raggiunto un'uscita laser topologica polarizzata circolarmente per mancini a 575,4 nm con una soglia di soli 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), mostrando un'efficienza della pendenza del 4,0%. Il raggio laser mostra un'eccellente direzionalità, con la sua distribuzione spaziale altamente coerente con la forma dello spot della pompa, dimostrando potenziali applicazioni nella trasmissione e visualizzazione delle immagini. Inoltre, fissando la direzione del laser della pompa mentre si piegava e spostava la pellicola dal basso verso l'alto, la luce della pompa illuminava cinque regioni distinte (I-V) del campione, facendo sì che il laser emesso si muovesse in sequenza dal basso verso l'alto sullo schermo ottico. La regolazione del raggio di curvatura della pellicola VCSEL controlla ulteriormente l'angolo di sterzata del fascio. Questa proprietà consente al VCSEL topologico di emettere luce laser ad angoli multipli senza ruotare il dispositivo laser. In particolare, il VCSEL topologico mostra stabilità termica, mantenendo le sue prestazioni laser originali anche dopo un pompaggio prolungato. Queste caratteristiche consentono l'integrazione con vari dispositivi fotonici indossabili per applicazioni quali display indossabili, anti-contraffazione elettronica e scansione laser.
Dimostrazione applicativa del VCSEL topologico flessibile
Questo lavoro è stato condotto principalmente presso l’Università di Nankai. Il ricercatore post-dottorato Wang Yu e il professor Xia Shiqi dell'Università di Nankai sono i co-primi autori, mentre i professori Zhang Xinzheng, Chen Zhigang e Xu Jingjun sono gli autori corrispondenti. La ricerca ha ricevuto il sostegno del National Key R&D Program of China, della National Natural Science Foundation of China, del Key Project della Tianjin Natural Science Foundation, della China Postdoctoral Science Foundation e dell’Agenzia di ricerca slovena.
Tradotto con DeepL.com (versione gratuita)
