Полупроводниковый лазер генерирует единственную длину волны на любой мощности
Инженеры создали новый тип полупроводникового лазера. Устройство, описанное в статье в Nature, легко масштабировать. При увеличении мощности излучения и размера резонатора сохраняется одночастотное излучение.
Исследователи использовали перфорированную полупроводниковую мембрану в качестве масштабируемого лазерного резонатора. Пластинка с равномерно расположенными отверстиями одинакового размера излучает единственную длину волны.
Инженеры взяли в качестве основы устройства мембрану толщиной 200 нм из фосфида арсенида индия-галлия. Этот полупроводник используется в волоконной оптике и телекоммуникационных устройствах. Ученые выгравировали на пластине с помощью литографии множество отверстий фиксированного размера и формы, расположенных на одном расстоянии друг от друга.
Фотография поверхности резонатора. Источник: Kanté group, Berkeley Engineering
Уникальные свойства созданного резонатора основаны на расположении и размере отверстий, объясняют исследователи. Перфорация сделана таким образом, чтобы создать точки Дирака. Фаза света, распространяющегося из одной точки в другую, равна показателю преломления, умноженному на пройденное расстояние. Поскольку в точке Дирака показатель преломления равен нулю, свет, излучаемый из разных частей полупроводника, находится точно в фазе и, следовательно, оптически одинаков.
«В мембране в нашем исследовании было около 3 тыс. отверстий, но теоретически их могло быть миллион или миллиард, результат был бы таким же», - говорит соавтор исследования Валид Редджем.
Сингулярность точек Дирака формирует одночастотный луч. Источник: Kanté group, Berkeley Engineering
Исследователи отмечают, что увеличение размера и мощности одночастотного лазера было проблемой в оптике. Когерентный направленный свет с одной длиной волны начинает разрушаться по мере увеличения размера резонатора лазера. Стандартное решение - использование внешних механизмов, например, волноводов для усиления луча. Однако такой подход увеличивает размер прибора.
Новое устройство не требует дополнительных модификаций. Авторы разработки считают, что оно найдет широкое применения в оптических коммуникациях, технике и медицине.