新しい半導体レーザーは単一周波数で高出力を実現

周波数純度を維持しながら任意の高出力に拡張できるレーザーが、米国の研究者によって製造されています。 彼らの発明は、グラフェンなどのディラック半導体内の電子の物理学に類似したものに依存しており、レーザーの発明に遡る問題を解決しています。 研究者らは、自分たちの研究が巨視的スケールでの量子力学における基本的な理論的発見にも影響を与える可能性があると信じている。

どのレーザーも基本的には 2 つの重要なコンポーネントで構成されています。キャビティと利得媒体 (通常は半導体) であると、カリフォルニア大学バークレー校のブバカール カンテ氏は説明します。彼は、レーザーについて説明する Nature 誌に掲載される論文の主任著者です。 「半導体は広範囲の周波数を放射し、共振器はどの周波数が増幅されて発振閾値に達するかを選択します。」

問題は、どの共振器もレーザーの基底状態の「基本」周波数だけでなく、いくつかのより高い周波数の励起状態もサポートすることです。 レーザーの出力を高めるためにキャビティをより強くポンピングすると、必然的にこれらの高周波状態がレーザー発振閾値に向けて励起される傾向があります。 より高出力のレーザーにはより大きなキャビティが必要ですが、これらはより高密度の周波数スペクトルをサポートします。

「利得が基本波とのみ重なっている場合、基本波だけが発振し、人々は問題なく常にナノレーザーを製造しています」とカンテ氏は言う。 「しかし、高次モードが近づくと、この 2 つを区別できなくなり、どちらも消滅してしまいます。これは 60 年も前からある問題です。誰もがそれを知っていますが、それにどう対処すべきかは誰も知りません。」

今までは、そうです。 基本空洞モードが利得媒体からすべてのエネルギーを吸収できれば、高次モードはすべて抑制されるだろうと研究者らは推論した。 従来のレーザーキャビティの問題は、基底状態の波動関数がキャビティの中心で最大となり、端に向かうにつれてゼロになることです。 「これまでに知られている面発光レーザーや空洞では、エッジから[基本周波数での]発振はありません」とカンテ氏は説明します。 「エッジからの発振がない場合、そこでは多くの利得が得られます。そのため、2次モードがエッジに存在し、すぐにレーザーはマルチモードになります。」

この問題を回避するために、Kanté らはフォトニック結晶を利用しました。 これらは周期的な構造であり、電子半導体と同様に「バンドギャップ」、つまり不透明となる周波数を持っています。 エレクトロニクスにおけるグラフェンと同様、フォトニック結晶は一般にバンド構造にディラック コーンを含みます。 このような円錐の頂点には、バンドギャップが閉じるディラック点があります。

研究者らは、エッジが開いた六角形のフォトニック結晶格子を含むレーザーキャビティを設計しました。これにより、光子が結晶の周囲の空間に漏れることができます。これは、波動関数がエッジでゼロに制限されないことを意味します。 フォトニック結晶は運動量ゼロでディラック点を持っていました。 運動量は波動ベクトルに比例するため、面内の波動ベクトルはゼロでした。 これは、キャビティが格子全体で単一値のモードを実際にサポートしていたことを意味します。 キャビティがこのモードのエネルギーでポンピングされた場合、キャビティがどれほど大きくても、エネルギーが他のモードに入ることはありません。 「光子には面内運動量がないので、残っているのは垂直方向に逃げることだけです」とカンテ氏は説明する。

研究者らは、19 個、35 個、および 51 個の穴からなる空洞を作製しました。「ディラック周波数特異点で励起していないときは、複数のピークで発振するのがわかります」とカンテ氏は言います。 「ディラック特異点では、マルチモードになることはありません。フラット モードでは、高次モードのゲインが除去されます。」 理論的モデリングによれば、この設計は数百万の穴を含むキャビティでも機能するはずです。

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カンテ氏は、将来的には、彼のチームが開発した概念がエレクトロニクスそのものや、より一般的な巨視的な世界への量子力学の拡張性に影響を与える可能性があると信じている。 「量子科学におけるすべての課題はスケーリングです」と彼は言います。 「人々は超伝導量子ビット、閉じ込められた原子、結晶内の欠陥に取り組んでいます...彼らがやりたいのはスケールすることだけです。私の主張は、それはシュレーディンガー方程式の基本的な性質に関係しているということです。つまり、システムが閉じているときは、システムは閉じていません。システムを拡張したい場合は、システムに損失が必要です」と彼は言います。

ペンシルバニア大学のLiang Feng氏は、「シングルモード広域レーザーは、半導体レーザーコミュニティが積極的に追求している聖杯の1つであり、拡張性が最も重要なメリットである」と付け加えた。 「[カンテの研究は]人々がまさに求めているものを示しており、優れた実験結果に裏付けられた並外れたスケーラビリティを示しています。明らかに、光ポンピングレーザーで実証されたこの戦略を実行可能な電気注入ダイオードレーザーに変換するには、さらに多くの作業を行う必要がありますが、この研究が、仮想現実システムや拡張現実システム、LiDAR、防衛など、レーザーが重要な役割を果たす多くの革新的な業界に恩恵をもたらす新世代の高性能レーザーを生み出すことを期待できます。」

研究チームは、そのデバイスをバークレー面発光レーザー (BerkSEL) と名付け、現在 Nature の Web サイトで公開されている論文の未編集のプレビュー版で説明しています。