Иллюстрация от A. Dikopoltsev et al / Science. Российские физики недавно смогли показать высокую степень когерентности излучения, получаемого от простого массива вертикально-излучающих микролазеров очень значительной мощности. Синхронизация лазеров была достигнута с использованием топологически защищенной моды. Для подтверждения результатов ученые создали из нескольких микролазеров топологический изолятор и зафиксировали интерференционную картину, генерируемую тридцатью одновременными источниками света. Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале Science. Топологические изоляторы – это уникальный класс материалов, характеризующийся наличием проводимости исключительно на поверхности. Изначально подобные структуры были обнаружены в области электроники, но позднее аналогичное поведение было выявлено и для других волновых процессов, включая распространение света.
Важной особенностью топологических изоляторов является топологическая защита поверхностных состояний от различных дефектов. Данное свойство оказалось ценным при проектировании лазеров с инжекционной синхронизацией мод, испускаемых разными лазерами, для чего требуется их interconnection. Показано, что поверхностные моды в топологических изоляторах могут выполнять подобную функцию.
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
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
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/
