Иллюстрация: A. Dikopoltsev et al / Science, 2021. Физики доказали высокую когерентность света, испускаемого массивом вертикально-излучающих очень мощных микролазеров, синхронизированных с помощью топологически защищенной моды. Для этого они сформировали из нескольких микролазеров топологический изолятор и зафиксировали интерференционную картинку от тридцати одновременно излучающих источников. Работа опубликована в Science. Топологические изоляторы — это необычный класс материалов, в которых проводимость существует только на поверхности. Изначально топологические изоляторы были обнаружены в электронике, однако со временем такое поведение было обнаружено и для других волновых процессов, включая свет. Замечательной особенностью таких структур стало то, что поверхностные состояния в них оказываются топологически защищены от различных дефектов. Это свойство оказалось полезным при проектировании лазеров с инжекционной синхронизацией мод,
испускаемых разными лазерами, для которой требуется эти лазеры связывать. Оказалось, что поверхностные моды в топологических изоляторах могут играть такую роль.
Попытки реализации этой идеи продолжаются уже несколько десятков лет. Среди прочих попыток особый интерес представляет синхронизация массива вертикально-излучающих лазеров. Несмотря на принципиальную возможность их инжекционной синхронизации, такие массивы используются исключительно в некогерентном ключе, например, для накачки твердотельных лазеров.
Группа физиков из Германии и Израиля при участии Себастьяна Клембт (Sebastian Klembt) из Вюрцбургского университета решила экспериментально доказать, что массив из 30 вертикально-излучающих лазеров, связанных поверхностной модой в топологическом изоляторе, может испускать свет с когерентностью, достаточной для практического использования. Чтобы это сделать, они сформировали двумерную решетку из цилиндрических микролазеров диаметром 2,5 микрона, которые представляют собой квантовую точку, запертую с обеих сторон брэгговскими зеркалами. Микролазеры объединялись по шесть штук в ячейки-соты двух типов: одни были немного растянуты, другие — сжаты. «Сжатая» часть решетки окружалась «растянутой» частью, на границе которых возникали условия для возникновения топологически защищенных мод.
Часть образца, состоящего из «сжатой» и «растянутой» решеток. Зеленым цветом показана граница, в которой возникает поверхностная мода. A. Dikopoltsev et al / Science, 2021
Возбуждение этой моды связывает только те лазеры, что находятся на границе — всего их оказалось 30 штук. Физики накачивали только их с помощью лазерных импульсов в форме шестиугольной фигуры, создаваемых системой пространственных модуляторов, и исследовали свойства выходящего излучения. Первым свидетельством когерентности всех 30 лазеров стало то, что спектральная ширина всего отклика системы (249 микроэлектронвольт) была сопоставима с шириной одного лазера (170 микроэлектронвольт). Однако явная проверка согласованности всех мод была проверена авторами с помощью интерференции исходящего света со своим зеркальным отражением. Они наблюдали интерференционные полосы по всему профилю пучка.
Интерференционная картина от сложения излучения от всех 30 лазеров со своим зеркальным отражением. Интерференционные полосы параллельны плоскости зеркала и наблюдаются по всей площади сечения. A. Dikopoltsev et al / Science, 2021
Для сравнения ученые изготовили тривиальную решетку микролазеров, чьи ячейки не были деформированы. В этом случае заметная интерференция возникала только в окрестностях излучения тех лазеров, что лежали на плоскости отражения. Они оценили зависимость контраста интерференционной картины от расстояния до плоскости отражения и убедились, что в некогерентном случае она спадает на масштабах длин порядка диаметра микролазера, в то время как в когерентном случае она ведет себя постоянно.
Авторы отмечают, что убедились в топологической защищенности инжекционной синхронизации, измеряя спектральные свойства коллективного излучения в широком диапазоне температур, начиная от 4 кельвинов и заканчивая 200 кельвинами. Она надеются, что их работа станет важным шагом к развитию топологической фотоники в неэрмитовом и нелинейном режиме.
Активные исследования топологических изоляторов продолжаются и по сей день. Недавно мы писали про то, как физики превратили в топологический изолятор графен и даже разупорядоченную среду.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
