Recentemente, uma equipe liderada pelos professores Zhang Xinzheng, Chen Zhigang e Xu Jingjun da Escola de Ciências Físicas da Universidade de Nankai, em colaboração com a professora Irena Drevenšek Olenik do Instituto Stefan na Eslovênia, demonstrou pela primeira vez um laser emissor de -superfície de cavidade-vertical topológico flexível circularmente polarizado (VCSEL) com alta eficiência de conversão de laser. Os resultados da pesquisa, intitulados "Lasers emissores de superfície de cavidade vertical topológica baseados em matéria-suave-, foram publicados na Light: Science & Applications e selecionados como artigo de capa da segunda edição.
Este VCSEL topológico é baseado em uma estrutura de superrede óptica unidimensional composta por um filme de cristal líquido colestérico de polímero (PCLC) spin-revestido com um meio de ganho fluorescente e um filme Mylar comercial. A superrede apresenta um poço de potencial modulado que quebra a simetria de inversão, análogo aos isoladores de Semenov e ao efeito Hall do vale quântico no espaço de parâmetros sintéticos bi-dimensionais. Eles demonstram que este VCSEL topológico mantém excelente emissão de laser de modo único em baixas potências de bomba. Notavelmente, esse VCSEL topológico de filme-fino oferece custos de produção extremamente baixos, não requer técnicas de fabricação complexas, pode ser facilmente integrado em substratos de qualquer formato e mantém as características desejadas do laser e a capacidade de direcionamento do feixe mesmo após múltiplas curvas.
Com o avanço contínuo da tecnologia da informação óptica e a crescente demanda por miniaturização, design leve e integração em chips fotônicos, o desenvolvimento de lasers no{0}}chip tem recebido cada vez mais atenção. No entanto, os atuais lasers on{2}}chip ainda enfrentam desafios significativos, incluindo baixa potência de saída e baixa estabilidade. Lasers protegidos topologicamente oferecem uma abordagem de projeto eficaz para alcançar alta estabilidade e baixo limiar em-lasers de chip. No entanto, limitada por materiais semicondutores, a fabricação da maioria dos VCSELs topológicos requer atualmente processos complexos e precisos. Seus comprimentos de onda de laser estão confinados principalmente à banda do infravermelho próximo e possuem geometrias fixas incapazes de direcionar o feixe translacional. Portanto, o desenvolvimento de baixo-custo de VCSELs topológicos em-chip mecanicamente flexíveis, com manutenção-de polarização e leves, usando materiais de matéria mole e princípios novos, tem um valor teórico e prático significativo.
Princípio fundamental de construção e espaço de parâmetros de síntese de superredes ópticas flexíveis unidimensionais
Durante a pesquisa, a equipe primeiro empilhou filmes Mylar de duas espessuras diferentes com filmes finos de PCLC para formar uma estrutura de superrede óptica binária unidimensional que quebra a simetria de inversão espacial. Ao introduzir a modulação do coeficiente de acoplamento para construir um espaço de parâmetros sintéticos, eles elucidaram a diferença nas propriedades topológicas entre as super-redes AB e BA com potenciais hetero-sítios, análogo ao efeito Hall do vale quântico em redes hexagonais bidimensionais-. Posteriormente, eles uniram superredes AB e BA com diferentes propriedades topológicas-uma apresentando acoplamento igual e a outra com hetero-potenciais de sítio-para gerar estados de interface topologicamente protegidos. Esses estados de interface exibem alta localização dentro do bandgap e demonstram robustez contra distúrbios estruturais, fornecendo um modo de cavidade óptica ideal para oscilação do laser. Experimentalmente, a equipe fabricou um dispositivo laser flexível com 17 camadas por meio de revestimento-de ganho com o corante de ganho PM597 em uma superfície de filme fino de PCLC. Sob bombeamento de laser pulsado de 532 nm, o dispositivo alcançou saída de laser topológico polarizado circularmente para canhotos em 575,4 nm com um limite tão baixo quanto 0,47 μJ (1,5 mW·cm⁻²), exibindo uma eficiência de inclinação de 4,0%. O feixe de laser exibe excelente direcionalidade, com sua distribuição espacial altamente consistente com o formato do ponto da bomba, demonstrando aplicações potenciais na transmissão e exibição de imagens. Além disso, ao fixar a direção do laser da bomba enquanto dobra e move o filme de baixo para cima, a luz da bomba ilumina cinco regiões distintas (I-V) da amostra, fazendo com que o laser emitido se mova sequencialmente de baixo para cima na tela óptica. O ajuste do raio de curvatura do filme VCSEL controla ainda mais o ângulo de direção do feixe. Esta propriedade permite que o VCSEL topológico emita luz laser em vários ângulos sem girar o dispositivo laser. Notavelmente, o VCSEL topológico apresenta estabilidade térmica, mantendo seu desempenho original do laser mesmo após bombeamento prolongado. Essas características permitem a integração com vários dispositivos fotônicos vestíveis para aplicações como monitores vestíveis, anti-falsificação eletrônica e digitalização a laser.
Demonstração de aplicação de VCSEL topológico flexível
Este trabalho foi conduzido principalmente na Universidade Nankai. O pesquisador de pós-doutorado Wang Yu e o professor Xia Shiqi da Universidade de Nankai são os co-primeiros autores, enquanto os professores Zhang Xinzheng, Chen Zhigang e Xu Jingjun são os autores correspondentes. A pesquisa recebeu apoio do Programa Nacional de P&D da China, da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, do Projeto Principal da Fundação de Ciências Naturais de Tianjin, da Fundação de Pós-Doutorado em Ciência da China e da Agência de Pesquisa Eslovena.
Traduzido com DeepL.com (versão gratuita)
