Recientemente, un equipo dirigido por los profesores Zhang Xinzheng, Chen Zhigang y Xu Jingjun de la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad de Nankai, en colaboración con la profesora Irena Drevenšek Olenik del Instituto Stefan de Eslovenia, ha demostrado por primera vez un láser emisor de -cavidad vertical- de superficie de cavidad vertical{0}}topológica flexible y polarizado circularmente (VCSEL) con alta eficiencia de conversión láser. Los hallazgos de la investigación, titulados "Láseres emisores de superficie de cavidad vertical topológica basados en -materia-soft", se publicaron en Light: Science & Applications y se seleccionaron como artículo de portada para el segundo número.
Este VCSEL topológico se basa en una estructura de superred óptica uni-dimensional compuesta por una película de cristal líquido colestérico (PCLC)- recubierta con un medio de ganancia fluorescente y una película comercial de Mylar. La superred presenta un pozo de potencial modulado que rompe la simetría de inversión, análogo a los aisladores de Semenov y el efecto Hall del valle cuántico en un espacio de parámetros sintéticos bidimensional. Demuestran que este VCSEL topológico mantiene una excelente emisión de láser monomodo-a bajas potencias de bombeo. En particular, este VCSEL topológico de película delgada-ofrece costos de producción extremadamente bajos, no requiere técnicas de fabricación complejas, se puede integrar fácilmente en sustratos de cualquier forma y conserva las características láser deseadas y la capacidad de dirección del haz incluso después de múltiples curvaturas.
Con el avance continuo de la tecnología de la información óptica y la creciente demanda de miniaturización, diseño liviano e integración en chips fotónicos, el desarrollo de láseres en-chips ha atraído cada vez más atención. Sin embargo, los láseres en chip-actuales todavía enfrentan desafíos importantes, incluida una baja potencia de salida y una estabilidad deficiente. Los láseres topológicamente protegidos ofrecen un enfoque de diseño eficaz para lograr una alta estabilidad y un umbral bajo en-láseres de chips. Sin embargo, debido a las limitaciones de los materiales semiconductores, la fabricación de la mayoría de los VCSEL topológicos requiere actualmente procesos complejos y precisos. Sus longitudes de onda láser se limitan principalmente a la banda del infrarrojo cercano-y poseen geometrías fijas incapaces de dirigir el haz traslacional. Por lo tanto, el desarrollo de bajo costo-de VCSEL topológicos en chip mecánicamente flexibles,-que mantienen la polarización y son livianos-que utilizan materiales de materia blanda y principios novedosos tiene un valor teórico y práctico significativo.
Principio fundamental de construcción y espacio de parámetros de síntesis de superredes ópticas flexibles unidimensionales
Durante la investigación, el equipo primero apiló películas de Mylar de dos espesores diferentes con películas delgadas de PCLC para formar una estructura de superred óptica binaria uni-dimensional que rompe la simetría de inversión espacial. Al introducir la modulación del coeficiente de acoplamiento para construir un espacio de parámetros sintético, dilucidaron la diferencia en las propiedades topológicas entre las superredes AB y BA con potenciales de hetero-sito, análogas al efecto Hall del valle cuántico en redes hexagonales bi-dimensionales. Posteriormente, unieron superredes AB y BA con diferentes propiedades topológicas-una con acoplamiento igual y la otra con potenciales de hetero-sitio-para generar estados de interfaz topológicamente protegidos. Estos estados de interfaz exhiben una alta localización dentro de la banda prohibida y demuestran robustez contra el desorden estructural, proporcionando un modo de cavidad óptica ideal para la oscilación del láser. De forma experimental, el equipo fabricó un dispositivo láser flexible con 17 capas recubriendo por rotación el tinte de ganancia PM597 sobre una superficie de película delgada de PCLC. Bajo bombeo de láser pulsado de 532 nm, el dispositivo logró-una salida de láser topológico polarizado circularmente hacia la izquierda a 575,4 nm con un umbral tan bajo como 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), exhibiendo una eficiencia de pendiente del 4,0 %. El rayo láser exhibe una direccionalidad excelente, con una distribución espacial muy consistente con la forma del punto de bombeo, lo que demuestra aplicaciones potenciales en la transmisión y visualización de imágenes. Además, al fijar la dirección del láser de la bomba mientras se doblaba y movía la película de abajo hacia arriba, la luz de la bomba iluminó cinco regiones distintas (I-V) de la muestra, lo que provocó que el láser emitido se moviera secuencialmente de abajo hacia arriba en la pantalla óptica. El ajuste del radio de curvatura de la película VCSEL controla aún más el ángulo de dirección del haz. Esta propiedad permite que el VCSEL topológico emita luz láser en múltiples ángulos sin rotar el dispositivo láser. En particular, el VCSEL topológico exhibe estabilidad térmica, manteniendo su rendimiento láser original incluso después de un bombeo prolongado. Estas características permiten la integración con varios dispositivos fotónicos portátiles para aplicaciones como pantallas portátiles, antifalsificación electrónica y escaneo láser.
Demostración de aplicación de VCSEL topológico flexible
Este trabajo se realizó principalmente en la Universidad de Nankai. El investigador postdoctoral Wang Yu y el profesor Xia Shiqi de la Universidad de Nankai son los co-primeros autores, mientras que los profesores Zhang Xinzheng, Chen Zhigang y Xu Jingjun son los autores correspondientes. La investigación recibió el apoyo del Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Proyecto Clave de la Fundación de Ciencias Naturales de Tianjin, la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China y la Agencia de Investigación Eslovena.
Traducido con DeepL.com (versión gratuita)
