최근 난카이대학교 물리과학부의 Zhang Xinzheng, Chen Zhigang, Xu Jingjun 교수가 이끄는 팀은 슬로베니아 스테판 연구소의 Irena Drevenšek Olenik 교수와 협력하여 레이저 변환 효율이 높은 원편광 유연 토폴로지 수직-공진 표면-발광 레이저(VCSEL)를 처음으로 시연했습니다. "Soft-Matter-Based Topological Vertical Cavity Surface Emitting Lasers"라는 제목의 연구 결과는 Light: Science & Application에 게재되었으며 두 번째 호의 표지 기사로 선정되었습니다.
이 토폴로지 VCSEL은 형광 게인 매질로 코팅된 PCLC(폴리머 콜레스테릭 액정) 필름 스핀-과 상업용 Mylar 필름으로 구성된 1차원 광학 초격자 구조를 기반으로 합니다. 초격자는 Semenov 절연체 및 2-차원 합성 매개변수 공간의 양자 밸리 홀 효과와 유사하게 반전 대칭을 깨는 변조된 전위 우물을 특징으로 합니다. 그들은 이 토폴로지 VCSEL이 낮은 펌프 출력에서 우수한 단일{5}}모드 레이저 방출을 유지한다는 것을 보여줍니다. 특히, 이 박막- 토폴로지 VCSEL은 생산 비용이 매우 낮고, 복잡한 제조 기술이 필요하지 않으며, 모든 형태의 기판에 쉽게 통합될 수 있고, 여러 번 구부린 후에도 원하는 레이저 특성과 빔 조정 기능을 유지합니다.
광정보 기술의 지속적인 발전과 소형화, 경량 설계, 포토닉 칩의 집적화에 대한 요구가 높아지면서 온칩 레이저 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다.{0}} 그러나 현재 온-칩 레이저는 여전히 낮은 출력 전력과 낮은 안정성 등 심각한 문제에 직면해 있습니다. 위상학적으로 보호되는 레이저는 -칩 레이저에서 높은 안정성과 낮은 임계값을 달성하기 위한 효과적인 설계 접근 방식을 제공합니다. 그러나 반도체 재료의 제약으로 인해 대부분의 토폴로지 VCSEL 제조에는 현재 복잡하고 정밀한 공정이 필요합니다. 이들의 레이저 파장은 주로 근-적외선 대역으로 제한되며 병진 빔 조종이 불가능한 고정된 기하학적 구조를 가지고 있습니다. 따라서 연성 물질과 새로운 원리를 사용하여 기계적으로 유연하고 분극을 유지하며 경량 온칩 토폴로지 VCSEL의-저비용 개발은 상당한 이론적, 실제적 가치를 갖습니다.
1차원 유연한 광학 초격자의 기본 구성 원리 및 합성 매개변수 공간-
연구 기간 동안 팀은 먼저 두 가지 서로 다른 두께의 Mylar 필름을 PCLC 박막과 적층하여 공간 반전 대칭을 깨는 1차원 이진 광학 초격자 구조를 형성했습니다. 합성 매개변수 공간을 구성하기 위해 결합 계수 변조를 도입함으로써 그들은 2-차원 육각형 격자의 양자 밸리 홀 효과와 유사한 이종- 사이트 전위를 갖는 AB와 BA 초격자 사이의 위상학적 특성의 차이를 설명했습니다. 그 후, 그들은 서로 다른 토폴로지 특성을 갖는 AB 및 BA 초격자를 결합했습니다. 하나는 동일한 결합을 특징으로 하고 다른 하나는 이종-사이트 전위-를 특징으로 하여 토폴로지적으로 보호된 인터페이스 상태를 생성했습니다. 이러한 인터페이스 상태는 밴드갭 내에서 높은 위치를 나타내고 구조적 장애에 대한 견고성을 입증하여 레이저 진동에 이상적인 광학 공동 모드를 제공합니다. 실험적으로 팀은 게인 염료 PM597을 PCLC 박막 표면에 스핀 코팅하여-17개 층으로 구성된 유연한 레이저 장치를 제작했습니다. 532nm 펄스 레이저 펌핑에서 장치는 575.4nm에서 왼손잡이 원형 편광 토폴로지 레이저 출력을 달성했으며 임계값은 0.47μJ(1.5mW·cm⁻²)로 낮았으며 4.0%의 경사 효율을 나타냈습니다. 레이저 빔은 펌프 스폿 모양과 매우 일치하는 공간 분포를 통해 탁월한 방향성을 나타내며 이미지 전송 및 디스플레이에 잠재적인 응용 가능성을 보여줍니다. 또한 필름을 아래에서 위로 구부리고 이동하면서 펌프 레이저 방향을 고정함으로써 펌프 빛이 샘플의 5개 영역(I-V)을 조명하여 방출된 레이저가 광학 화면에서 아래에서 위로 순차적으로 이동하게 했습니다. VCSEL 필름의 곡률 반경을 조정하면 빔 조향 각도가 더욱 제어됩니다. 이 속성을 통해 토폴로지 VCSEL은 레이저 장치를 회전하지 않고도 여러 각도에서 레이저 광을 방출할 수 있습니다. 특히 토폴로지 VCSEL은 열적 안정성을 보여 장기간 펌핑 후에도 원래 레이저 성능을 유지합니다. 이러한 특성으로 인해 웨어러블 디스플레이, 전자 위조 방지-, 레이저 스캐닝과 같은 애플리케이션을 위한 다양한 웨어러블 광자 장치와 통합할 수 있습니다.
유연한 토폴로지 VCSEL의 응용 시연
이 작업은 주로 난카이 대학에서 수행되었습니다. 박사후 연구원인 Wang Yu와 Nankai University의 Xia Shiqi 교수가 공동 제1저자이고, Zhang Xinzheng, Chen Zhigang, Xu Jingjun 교수가 교신저자입니다. 이 연구는 중국 국가 핵심 R&D 프로그램, 중국 국립 자연과학 재단, 텐진 자연 과학 재단 핵심 프로젝트, 중국 박사후 과학 재단, 슬로베니아 연구 기관의 지원을 받았습니다.
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