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半导体激光的未来:拓扑绝缘体激光器

2018/2/5 9:57:16来源:实验帮 【字体:

导 读:  以色列和美国的研究人员已经开发出了一种新型的,高效率的相干和强健的半导体激光系统:拓扑绝缘体激光器。     研究结果发表在两篇新的联合研究论文中,一篇描述理论(Topologicalinsulatorlaser:Theory)和另一篇
关 键 词:半导体 激光 拓扑绝缘体 激光器

  以色列和美国的研究人员已经开发出了一种新型的,高效率的相干和强健的半导体激光系统:拓扑绝缘体激光器
 
  研究结果发表在两篇新的联合研究论文中,一篇描述理论(Topological insulator laser: Theory)和另一篇实验(Topological insulator laser: Experiments),在线发表在著名的“Science”上。
 
  拓扑绝缘体是近年来最具创新性和前景的物理学领域之一,为受保护的运输的基本理解提供了新的视角。这些是特殊的材料,它们在内部是绝缘体,但在表面产生“超电流”:表面电流不受缺陷、尖角或杂乱的影响; 电流能持续单向性而不会被分散。
 
 半导体激光的未来:拓扑绝缘体激光器
  图示为拓扑绝缘体激光器:光线畅通无阻地绕过周边、尖角或障碍,最终通过输出端口出射。 (图片:以色列理工学院)
 
  这些研究由以色列理工学院的Mordechai Segev教授和他的团队:Miguel A. Bandres博士和Gal Harari博士,与Demetrios N. Christodoulides教授和Mercedeh Khajavikhan教授及中佛罗里达大学光学与光子学院的学生Steffen Wittek,Midya Parto 和 Jinhan Ren,还有美国和新加坡的科学家们一起完成的。
 
  几年前,来自以色列理工学院的同一个团队在光子学中引入了这些想法,并且展示了一种光子拓扑绝缘体,其中光在波导的二维阵列的边缘传播而不受缺陷或无序的影响。
 
  现在,研究人员已经找到了一种方法来利用光子拓扑绝缘体的性质来构建一种新型的激光器,这种新型激光器表现出独特的基本特性,并极大地提高了激光器阵列的稳健性和性能,为未来的大量应用打开了大门。
 
  Segev教授说:“这个新的激光系统违背了关于拓扑绝缘子的所有常识。在一个坚果壳中,当系统包含增益时,拓扑绝缘体的独特鲁棒性被认为是失败的,因为所有的激光器都必须具有。但是我们已经表明,这种特殊的鲁棒性在具有特殊(“拓扑”)设计的激光系统中能够存在,并且能够使激光更高效,更相干,并且同时不受各种制造缺陷和诸如此类的缺陷的影响。这似乎是一个让微型激光器阵列作为一个整体工作的激动人心的途径:一个高度相干的高功率激光器。”
 
  半导体激光的未来:拓扑绝缘体激光器
 
  拓扑绝缘体激光器强度激光模式的俯视图照片。(图片: 以色列理工学院)
 
  在他们的研究中,科学家们建立了一个特殊的微环谐振器阵列,其激光的模式展现出受到拓扑保护的传输——光沿着激光阵列的边缘在一个方向上传播,不受缺陷和无序的影响,不受边缘形状的影响。这反过来又如实验证明的那样,会导致高效率的单模激光,这种激光在激光阈值上保持在很高的水平。来自中佛罗里达大学的Christodouldies教授说:“很高兴看到基础研究能够有这么深刻而有形的应用。”
 
  制造的阵列使用的是标准的半导体材料,而不需要磁场或奇异的磁光材料;因此可以集成在半导体器件中。“近几年来,我们以前所未有的方式找到了操纵光的新手段。在这里,通过巧妙的设计,我们愚弄光子,让他们感觉好像他们正在经历一个磁场,而且他们有自旋。”研究小组的首席科学家之一Khajavikhan教授说。
 
  研究人员证明,不仅拓扑绝缘体激光器在理论上是可行的,而且在实验上是可行的,但是综合这些性质可以创造出更高效的激光器。因此,研究的结果为可以与传感器,天线和其他光子器件集成的新型有源拓扑光子器件铺平了道路。


 
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