Onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego hebben 's werelds eerste laser gedemonstreerd op basis van een onconventioneel golffysisch fenomeen dat gebonden toestanden in het continuüm wordt genoemd. De technologie kan een revolutie teweegbrengen in de ontwikkeling van oppervlaktelasers, waardoor ze compacter en energiezuiniger worden voor communicatie- en computertoepassingen. De nieuwe BIC-lasers kunnen ook worden ontwikkeld als krachtige lasers voor industriële en defensietoepassingen.

"Lasers zijn alomtegenwoordig in de huidige wereld, van eenvoudige alledaagse laserpointers tot complexe laserinterferometers die worden gebruikt om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Ons huidige onderzoek zal van invloed zijn op veel gebieden van lasertoepassingen, " zei Ashok Kodigala, een elektrotechniek Ph.D. student aan UC San Diego en eerste auteur van de studie.

"Omdat ze onconventioneel zijn, BIC-lasers bieden unieke en ongekende eigenschappen die nog niet zijn gerealiseerd met bestaande lasertechnologieën, " zei Boubacar Kanté, professor elektrotechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering die het onderzoek leidde.

Bijvoorbeeld, BIC-lasers kunnen gemakkelijk worden afgestemd om bundels met verschillende golflengten uit te zenden, een handige functie voor medische lasers die zijn gemaakt om kankercellen nauwkeurig te richten zonder normaal weefsel te beschadigen. BIC-lasers kunnen ook worden gemaakt om bundels uit te zenden met speciaal ontworpen vormen (spiraal, donut- of belcurve) - vectorbundels genoemd - die steeds krachtigere computers en optische communicatiesystemen mogelijk zouden maken die tot 10 keer meer informatie kunnen vervoeren dan bestaande.

"Lichtbronnen zijn belangrijke componenten van optische datacommunicatietechnologie in mobiele telefoons, computers en astronomie, bijvoorbeeld. In dit werk, we presenteren een nieuw soort lichtbron die efficiënter is dan wat vandaag beschikbaar is in termen van stroomverbruik en snelheid, " zei Babak Bahari, een elektrotechniek Ph.D. student in het laboratorium van Kanté en co-auteur van de studie.

Gebonden toestanden in het continuüm (BIC's) zijn fenomenen waarvan het bestaan ​​al sinds 1929 is voorspeld. BIC's zijn golven die perfect begrensd blijven, of gebonden, in een open systeem. Conventionele golven in een open systeem ontsnappen, maar BIC's tarten deze norm - ze blijven gelokaliseerd en ontsnappen niet ondanks het feit dat ze daarvoor open wegen hebben.

In een eerdere studie, Kanté en zijn team demonstreerden, bij microgolffrequenties, dat BIC's kunnen worden gebruikt om licht efficiënt op te vangen en op te slaan om sterke interactie tussen licht en materie mogelijk te maken. Nutsvoorzieningen, ze gebruiken BIC's om nieuwe soorten lasers te demonstreren. Het team publiceerde het werk op 12 januari in Natuur .

De BIC-laser maken

De BIC-laser in dit werk is opgebouwd uit een dun halfgeleidermembraan gemaakt van indium, gallium, arseen en fosfor. Het membraan is gestructureerd als een reeks cilinders van nanogrootte die in lucht zijn opgehangen. De cilinders zijn onderling verbonden door een netwerk van ondersteunende bruggen, die mechanische stabiliteit aan het apparaat bieden.

Door het membraan van stroom te voorzien met een hoogfrequente laserstraal, onderzoekers hebben het BIC-systeem ertoe aangezet om zijn eigen laserstraal met lagere frequentie uit te zenden (op telecommunicatiefrequentie).

"Direct, dit is een proof of concept-demonstratie dat we inderdaad laseractie kunnen bereiken met BIC's, ' zei Kanté.

"En wat opmerkelijk is, is dat we oppervlaktelasing kunnen laten optreden met arrays zo klein als 8 × 8 deeltjes, "zei hij. Ter vergelijking, de oppervlaktelasers die veel worden gebruikt in datacommunicatie en zeer nauwkeurige detectie, genaamd VCSEL's (verticale holte-oppervlakte-emitterende lasers), hebben veel grotere (100 keer) arrays nodig - en dus meer vermogen - om laserwerking te bereiken.

"De populaire VCSEL kan op een dag worden vervangen door wat we de 'BICSEL'-gebonden staat noemen in de continuüm-oppervlakte-emitterende laser, wat kan leiden tot kleinere apparaten die minder stroom verbruiken, ", aldus Kanté. Het team heeft een patent aangevraagd voor het nieuwe type lichtbron.

De array kan ook worden opgeschaald om krachtige lasers te maken voor industriële en defensietoepassingen, hij merkte. "Een fundamentele uitdaging bij krachtige lasers is verwarming en met de voorspelde efficiëntie van onze BIC-lasers, een nieuw tijdperk van lasertechnologieën mogelijk wordt, ' zei Kanté.

De volgende stap van het team is om BIC-lasers te maken die elektrisch worden aangedreven, in plaats van optisch aangedreven door een andere laser. "Een elektrisch gepompte laser is gemakkelijk buiten het laboratorium te dragen en kan op een conventionele batterijbron werken, ' zei Kanté.