단일 주파수에서 높은 출력을 제공하는 새로운 반도체 레이저

주파수 순도를 유지하면서 임의의 높은 전력으로 확장 가능해야 하는 레이저가 미국의 연구진에 의해 생산되었습니다. 그래핀과 같은 Dirac 반도체의 전자 물리학과 유사한 그들의 발명은 레이저 발명으로 거슬러 올라가는 문제를 해결합니다. 연구원들은 그들의 연구가 거시적 규모의 양자 역학의 근본적인 이론적 발견에 영감을 줄 수 있다고 믿습니다.

모든 레이저는 근본적으로 두 가지 필수 구성 요소, 즉 공동과 이득 매질(일반적으로 반도체)로 구성되어 있다고 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 Boubacar Kanté는 설명합니다. 그는 Nature에 레이저를 설명하는 논문의 수석 저자입니다. "반도체는 광범위한 주파수를 방출하며 캐비티는 레이저 임계값에 도달하기 위해 증폭될 주파수를 선택합니다."

문제는 모든 공동이 레이저의 바닥 상태 "기본" 주파수뿐만 아니라 여러 고주파 여기 상태도 지원한다는 것입니다. 레이저의 출력을 높이기 위해 캐비티를 더 세게 펌핑하면 필연적으로 이러한 고주파 상태가 레이저 임계값을 향해 여기되는 경향이 있습니다. 고출력 레이저에는 더 큰 공동이 필요하지만 이는 더 조밀한 주파수 스펙트럼을 지원합니다.

Kanté는 "이득이 기본 요소와만 겹치면 기본 요소만 레이즈되고 사람들은 항상 문제 없이 나노레이저를 만듭니다."라고 말했습니다. "그러나 고차 모드가 가까워지면 둘을 구별할 수 없으며 둘 다 레이저가 될 것입니다. 이것은 60년 된 문제입니다. 모두가 그것을 알고 있지만 그것에 대해 무엇을 해야할지 아무도 모릅니다."

지금까지는 그렇습니다. 연구진은 기본 공동 모드가 이득 매질로부터 모든 에너지를 흡수할 수 있다면 모든 고차 모드가 억제될 것이라고 추론했습니다. 기존 레이저 공동의 문제점은 바닥 상태 파동함수가 공동의 중심에서 최대이고 가장자리로 갈수록 0으로 떨어진다는 것입니다. Kanté는 "모든 표면 방출 레이저 또는 현재까지 알려진 모든 공동에는 가장자리에서 [기본 주파수의] 레이저가 발생하지 않습니다."라고 설명합니다. "가장자리에서 레이저가 발생하지 않으면 거기에서 많은 이득을 얻을 수 있습니다. 그리고 그 때문에 2차 모드가 가장자리에 존재하며 곧 레이저는 다중 모드가 됩니다."

이 문제를 해결하기 위해 Kanté와 동료들은 광결정을 활용했습니다. 이는 전자 반도체와 같이 불투명한 주파수인 "밴드 갭"을 갖는 주기적인 구조입니다. 전자공학의 그래핀과 마찬가지로 광결정은 일반적으로 밴드 구조에 Dirac 콘을 포함합니다. 이러한 원뿔의 꼭지점에는 밴드 갭이 닫히는 Dirac 점이 있습니다.

연구진은 가장자리가 열린 육각형 광결정 격자를 포함하는 레이저 공동을 설계하여 광자가 결정 주변 공간으로 누출될 수 있도록 했습니다. 이는 파동함수가 가장자리에서 0으로 제한되지 않았다는 것을 의미합니다. 광결정은 운동량이 0인 Dirac 지점을 가졌습니다. 운동량은 파동 벡터에 비례하므로 평면 내 파동 벡터는 0입니다. 이는 캐비티가 실제로 격자 전체에 걸쳐 단일 값인 모드를 지원했음을 의미합니다. 캐비티가 이 모드의 에너지로 펌핑되면 캐비티의 크기에 관계없이 에너지가 다른 모드로 전달되지 않습니다. "광자에는 평면 내 운동량이 없으므로 남은 유일한 것은 수직으로 탈출하는 것"이라고 Kanté는 설명합니다.

연구원들은 19개, 35개, 51개 구멍으로 구성된 공동을 제작했습니다. "Dirac 주파수 특이점에서 펌핑하지 않을 때 여러 피크에서 레이저가 발생하는 것을 볼 수 있습니다"라고 Kanté는 말합니다. "Dirac 특이점에서는 다중 모드가 되지 않습니다. 플랫 모드는 고차 모드의 이득을 제거합니다." 이론적 모델링에 따르면 이 설계는 수백만 개의 구멍이 포함된 공동에도 작동해야 합니다.

토폴로지 소스는 높고 다양한 궤도 각 운동량으로 빛을 방출합니다.

미래에 Kanté는 그의 팀이 개발한 개념이 전자 제품 자체에 영향을 미칠 수 있으며, 더 일반적으로는 거시적 세계에 대한 양자 역학의 확장성에 영향을 미칠 수 있다고 믿습니다. "양자 과학의 모든 과제는 규모 확장입니다."라고 그는 말합니다. "사람들은 초전도 큐비트, 갇힌 원자, 결정 결함에 대해 작업하고 있습니다. 그들이 원하는 유일한 것은 규모입니다. 내 주장은 이것이 슈뢰딩거 방정식의 기본 특성과 관련이 있다는 것입니다. 시스템이 닫히면 시스템이 닫히게 됩니다. 확장할 수 없습니다. 시스템을 확장하려면 시스템에 손실이 있어야 합니다."라고 그는 말합니다.