最近、南開大学物理科学部の Zhang Xinzheng 教授、Chen Zhigang 教授、Xu Jingjun 教授が率いるチームは、スロベニアのステファン研究所の Irena Drevenšek Olenik 教授と共同で、高いレーザー変換効率を備えた円偏光フレキシブル トポロジカル垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) を初めて実証しました。{0} 「ソフト-マター-ベースのトポロジカル垂直共振器面発光レーザー」と題された研究結果は、Light: Science & Applications に掲載され、第 2 号の表紙記事として選ばれました。
このトポロジカル VCSEL は、蛍光利得媒体でスピン コーティングされたポリマー コレステリック液晶 (PCLC) フィルムと市販のマイラー フィルムで構成される 1 次元光学超格子構造に基づいています。{0}{1}超格子は、二次元合成パラメータ空間におけるセミョノフ絶縁体や量子バレー ホール効果に類似した、反転対称性を破る変調されたポテンシャル井戸を特徴としています。彼らは、このトポロジカル VCSEL が低い励起パワーで優れたシングルモード レーザー発光を維持することを実証しました。-特に、この薄膜トポロジカル VCSEL は極めて低い製造コストを実現し、複雑な製造技術を必要とせず、あらゆる形状の基板に簡単に統合でき、複数回曲げた後でも望ましいレーザー特性とビーム ステアリング機能を維持します。
光情報技術の継続的な進歩と、小型化、軽量設計、フォトニック チップへの統合に対する需要の高まりに伴い、オンチップ レーザーの開発への注目が高まっています。{0}しかし、現在のオンチップ レーザーは依然として、低出力や不安定な安定性などの重大な課題に直面しています。-トポロジー的に保護されたレーザーは、高い安定性と低いしきい値のオンチップ レーザーを実現するための効果的な設計アプローチを提供します。{4}}しかし、現在、ほとんどのトポロジカル VCSEL の製造には半導体材料の制約があるため、複雑で精密なプロセスが必要です。それらのレーザー発振波長は主に近赤外線帯域に限定されており、並進ビームのステアリングができない固定ジオメトリを備えています。したがって、ソフトマター材料と新しい原理を使用した、機械的に柔軟で、分極を維持し、軽量なオンチップ トポロジカル VCSEL を-低コストで開発することには、大きな理論的かつ実用的な価値があります。{10}
1 次元フレキシブル光超格子の基本的な構築原理と合成パラメータ空間-
研究中、チームは最初に 2 つの異なる厚さのマイラー フィルムを PCLC 薄膜と積層して、空間反転対称性を破る 1 次元の二値光学超格子構造を形成しました。-合成パラメータ空間を構築するために結合係数変調を導入することにより、彼らは、二次元六方格子における量子バレーホール効果に類似した、ヘテロサイトポテンシャルを持つAB超格子とBA超格子の間のトポロジカル特性の違いを解明しました-。その後、異なるトポロジ特性を持つ AB 超格子と BA 超格子を結合し、-1 つは等しい結合を特徴とし、もう 1 つはヘテロ{6}}サイト ポテンシャルを持つ-ことで、トポロジ的に保護された界面状態を生成しました。これらの界面状態はバンドギャップ内で高い局在性を示し、構造的無秩序に対する堅牢性を示し、レーザー発振に理想的な光共振器モードを提供します。実験的に、研究チームはゲイン色素 PM597 を PCLC 薄膜表面にスピンコーティングすることにより、17 層のフレキシブル レーザー デバイスを製造しました。{11} 532 nmのパルスレーザーポンピング下で、このデバイスは575.4 nmで左回り円偏光のトポロジカルレーザー出力を達成し、しきい値は0.47 μJ (1.5 mW・cm-2) と低く、4.0%のスロープ効率を示しました。レーザービームは優れた指向性を示し、その空間分布はポンプスポット形状と非常に一致しており、画像伝送および表示における潜在的な用途を示しています。さらに、フィルムを曲げて下から上に移動させながらポンプレーザーの方向を固定することにより、ポンプ光がサンプルの 5 つの異なる領域 (I-V) を照射し、放出されたレーザーが光学スクリーン上で下から上に順次移動します。 VCSEL フィルムの曲率半径を調整することで、ビームのステアリング角度をさらに制御します。この特性により、トポロジカル VCSEL は、レーザー デバイスを回転させることなく、複数の角度でレーザー光を放射することができます。特に、トポロジカル VCSEL は熱安定性を示し、長時間ポンピングした後でも元のレーザー性能を維持します。これらの特性により、ウェアラブル ディスプレイ、電子偽造防止、レーザー スキャンなどのアプリケーション向けに、さまざまなウェアラブル フォトニック デバイスとの統合が可能になります。{27}}
柔軟なトポロジカル VCSEL のアプリケーション デモンストレーション
この研究は主に南開大学で行われました。博士研究員の Wang Yu 氏と南開大学の Xia Shiqi 教授が共同筆頭著者で、Zhang Xinzheng 教授、Chen Zhigang 教授、Xu Jingjun 教授が責任著者です。-この研究は、中国国家重点研究開発プログラム、中国国家自然科学財団、天津自然科学財団重点プロジェクト、中国ポスドク科学財団、およびスロベニア研究庁から支援を受けた。
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