Forskare vid University of California San Diego har demonstrerat världens första laser baserad på ett okonventionellt vågfysikfenomen som kallas bundna tillstånd i kontinuumet. Tekniken kan revolutionera utvecklingen av ytlasrar, vilket gör dem mer kompakta och energieffektiva för kommunikations- och datatillämpningar. De nya BIC-lasrarna kan också utvecklas som kraftfulla lasrar för industri- och försvarsapplikationer.

"Lasrar är allestädes närvarande i dagens värld, från enkla vardagliga laserpekare till komplexa laserinterferometrar som används för att detektera gravitationella vågor. Vår nuvarande forskning kommer att påverka många områden inom laserapplikationer, "sa Ashok Kodigala, en elteknik Ph.D. student vid UC San Diego och första författare till studien.

"Eftersom de är okonventionella, BIC -lasrar erbjuder unika och oöverträffade egenskaper som ännu inte har förverkligats med befintlig laserteknik, "sa Boubacar Kanté, elektrotekniker vid UC San Diego Jacobs School of Engineering som ledde forskningen.

Till exempel, BIC -lasrar kan enkelt ställas in för att avge strålar med olika våglängder, en användbar funktion för medicinska lasrar gjorda för att precis rikta cancerceller utan att skada normal vävnad. BIC -lasrar kan också göras för att avge strålar med specialutformade former (spiral, donut- eller klockkurva) - kallade vektorstrålar - som kan möjliggöra allt starkare datorer och optiska kommunikationssystem som kan bära upp till tio gånger mer information än befintliga.

"Ljuskällor är viktiga komponenter i optisk datakommunikationsteknik i mobiltelefoner, datorer och astronomi, till exempel. I det här arbetet, vi presenterar en ny typ av ljuskälla som är mer effektiv än vad som är tillgängligt idag när det gäller strömförbrukning och hastighet, "sa Babak Bahari, en elteknik Ph.D. student i Kantés laboratorium och medförfattare till studien.

Bundna tillstånd i kontinuum (BIC) är fenomen som har förutsetts existera sedan 1929. BIC är vågor som förblir perfekt begränsade, eller bunden, i ett öppet system. Konventionella vågor i ett öppet system flyr, men BIC trotsar denna norm - de förblir lokaliserade och flyr inte trots att de har öppna vägar att göra det.

I en tidigare studie, Kanté och hans team demonstrerade, vid mikrovågsfrekvenser, att BIC kan användas för att effektivt fånga och lagra ljus för att möjliggöra stark ljus-materia interaktion. Nu, de utnyttjar BIC för att demonstrera nya typer av lasrar. Teamet publicerade verket 12 januari Natur .

Gör BIC -lasern

BIC -lasern i detta arbete är konstruerad av ett tunt halvledarmembran av indium, gallium, arsenik och fosfor. Membranet är uppbyggt som en rad cylindrar i nanostorlek upphängd i luft. Cylindrarna är sammankopplade med ett nätverk av stödbroar, som ger enheten mekanisk stabilitet.

Genom att driva membranet med en högfrekvent laserstråle, forskare fick BIC -systemet att avge en egen lägre frekvenslaserstråle (vid telekommunikationsfrekvens).

"Just nu, detta är ett bevis på konceptdemonstration för att vi verkligen kan uppnå laseråtgärder med BIC, "Sa Kanté.

"Och det som är anmärkningsvärt är att vi kan få ytlasning att ske med arrays så små som 8 × 8 partiklar, "sa han. I jämförelse, ytlasrarna som används i stor utsträckning i datakommunikation och högprecisionsavkänning, kallas VCSEL (ytemitterande lasrar med vertikal kavitet), behöver mycket större (100 gånger) matriser - och därmed mer effekt - för att uppnå lasning.

"Det populära VCSEL kan en dag ersättas av det vi kallar" BICSEL "-bundet tillstånd i den kontinuumytemitterande lasern, vilket kan leda till mindre enheter som förbrukar mindre ström, "Sa Kanté. Teamet har lämnat patent på den nya typen av ljuskälla.

Arrayen kan också skalas upp i storlek för att skapa högeffektlasrar för industri- och försvarsapplikationer, noterade han. "En grundläggande utmaning för högeffektslasrar är uppvärmning och med den förutsagda effektiviteten hos våra BIC -lasrar, en ny era med laserteknik kan bli möjlig, "Sa Kanté.

Lagets nästa steg är att göra BIC -lasrar som är eldrivna, snarare än optiskt drivs av en annan laser. "En elektriskt pumpad laser är lätt att bära utanför labbet och kan köra bort en konventionell batterikälla, "Sa Kanté.