Selbst-Organisation bezieht sich auf das kollektive Resonanzphänomen, bei dem sich einzelne Elemente durch interne Interaktionen spontan in geordneten Mustern anordnen. Allerdings schränkt die chaotische Multimode-Synchronisation in herkömmlichen Halbleiterlaserkavitäten deren Leistung in praktischen Anwendungen ein. Die topologische Photonik, die ihren Ursprung in der Theorie topologischer Zustände in der Physik der kondensierten Materie hat, verwendet „topologische Invarianten“, um die Bandstruktur photonischer Kristalle zu beschreiben. Dieser Ansatz bietet ein neuartiges Paradigma für den Aufbau robuster, unidirektionaler und stark lokalisierter photonischer Zustände.
Kürzlich veröffentlichte ein Team unter der Leitung des Akademikers Zheng Wanhua vom Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bahnbrechende Arbeiten in Laser & Photonics Reviews. Sie beobachteten erfolgreich die selbst-organisierte Laseremission auf der Grundlage delokalisierter topologischer Randzustände und erzielten eine großflächige Laserleistung mit hoher{3}Kohärenz. Dieser Durchbruch löst genau den Kernwiderspruch herkömmlicher Laser-die gegenseitige Beschränkung zwischen hoher Leistung und hoher Kohärenz. -ein Kompromiss-, der häufig durch physikalische Einschränkungen bei herkömmlichen Geräten bedingt ist. Diese Forschung nutzt den selbstorganisierenden Synchronisationsmechanismus, der durch delokalisierte topologische Randzustände und nicht-Hermitesche Modulation unterstützt wird, und bewahrt sowohl den hohen Kohärenzvorteil, der durch topologischen Schutz als auch durch Selbstorganisation entsteht. Gleichzeitig erweitert es die Energieverteilung durch Delokalisierung und bildet letztendlich eine innovative technische Lösung, die synergetisch die „Energiekohärenz“ optimiert.
Abbildung 1 Schematische Darstellung der selbst-organisierten topologischen Laserleistung und Grundprinzipien
Ausgehend vom klassischen ein-dimensionalen topologischen Su-Schrieffer-Heeger (SSH)-Modell nutzte das Forschungsteam den chiralen Symmetrieschutz der Struktur, um die Kopplungsstärken innerhalb des SSH-Gitters zu modulieren und so eine delokalisierte Verteilung topologischer Randzustände im realen Raum zu erreichen. Gleichzeitig behalten die delokalisierten topologischen Randzustände durch nicht-hermitesche Modulation auf der Grundlage strukturierter Elektrodenstrukturen ihre Dominanz über ungeordnete Hintergründe und weisen einzigartige selbstorganisierende Muster auf. Im Vergleich zu photonischen Kristalllasern gleicher Größenordnung weist dieser topologische Laser eine höhere räumliche Kohärenz auf, was zu niedrigeren Schwellenwerten, stabileren räumlichen Ausgabemodi und einem höheren Speckle-Kontrast führt. Darüber hinaus erweitert es die räumliche Verteilungsskala topologischer Randzustände und integriert Phasenverschiebungskoppler, um die optische Ausgangsleistungsdichte zu erhöhen.
Abbildung 2 Schematischer Aufbau delokalisierter topologischer Randzustände
Abbildung 3 Vergleich topologischer Laser mit photonischen Kristallexperimenten im gleichen Maßstab
Dieser Ansatz diversifiziert nicht nur die technischen Wege für topologische Laser, sondern entspricht auch dem Trend, dass die topologische Photonik integrierte photonische Chips und leistungsstarke optische Emitter durchdringt, wodurch die praktische Anwendung der topologischen Physik in der Photonik weiter vorangetrieben wird. Die Ergebnisse mit dem Titel „Self-organized lasering of delocalized state powered by non-Hermitian manipulation and chiral symmetry“ wurden in Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202501772) veröffentlicht. Der Postdoktorand Chen Jingxuan und der Doktorand Tang Chenyan vom Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sind die Co-Erstautoren. Der junge Forscher Wang Mingjin und der Akademiemitglied Zheng Wanhua sind die korrespondierenden Autoren.
