بزرگنمايي:

سیاست و بازاریابی - ایسنا / محققان با تعبیه ساختارهای دی‌الکتریک کوچک درون نیمه‌رسانا، لیزری ساختند که می‌تواند نور را به روشی جدید کنترل کند.
به گزارش ایسنا، یک لیزر همیشه برای تولید یک پرتوی بی‌نقص به یک الگوی کاملاً تکراری نیاز ندارد. محققان دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین(UIUC) یک لیزر نیمه‌رسانا را معرفی کرده‌اند که عمداً این قرارداد را می‌شکند و ساختار منظم یک لیزر ساطع‌کننده سطح کریستال فوتونی(PCSEL) را با یک لیزر شبه تناوبی جایگزین می‌کند.
این دستگاه، لیزر تک حالته را در دمای اتاق با طول موج ۱.۵ میکرومتر تولید کرد و نشان داد که می‌توان الگوهای غیر تکراری را در یک لیزر ایجاد کرد و در عین حال کنترل دقیق بر نور را حفظ کرد.
محققان در مطالعه خود خاطرنشان می‌کنند: ما لیزر فتوپمپ شده را از یک QPCSEL دی‌الکتریک مدفون شده (لیزر ساطع‌کننده سطح کریستال فوتونی شبه تناوبی) در دمای اتاق با طول موج انتشار ۱.۵ میکرومتر معرفی می‌کنیم.
این رویکرد می‌تواند به مهندسان آزادی بیشتری برای طراحی لیزر برای کاربردهایی مانند حسگری، ارتباطات، هوافضا و دفاع بدهد.
شکستن الگوی تکرار
PCSELها از یک کریستال فوتونی استفاده می‌کنند؛ یک الگوی با دقت طراحی شده که نحوه حرکت نور از طریق یک نیمه‌رسانا را کنترل می‌کند. برخلاف لیزرهای معمولی، ساختار نوری می‌تواند برهمکنش نور را در یک منطقه بزرگ پخش کند و مقداری از آن را از طریق سطح هدایت کند.
این طراحی می‌تواند یک پرتوی باریک و به خوبی کنترل شده و انتشار تک حالته ایجاد کند که زمانی که یک لیزر باید نور را دقیقاً به جای بسیاری از حالت‌های نوری رقیب تحویل دهد، خواص مفیدی هستند.
در طول دو دهه گذشته، PCSELها برای کاربردهای پیشرفته لیزر نیمه‌رسانا از جمله سیستم‌های هوافضا و دفاعی مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، هندسه نیز یک محدودیت است.
PCSELهای معمولی عموماً به الگوهای تکرارشونده وابسته هستند و تغییر شکل یا فاصله این ویژگی‌ها می‌تواند ساخت را دشوار کند. ساختارهای کوچک همچنین می‌توانند در طول رشد مجدد نیمه‌رسانا دچار اعوجاج شوند و بازتولید هندسه دقیقی که طراحی شده بود را دشوارتر کند.
محققان پیش از این یک پلتفرم دی‌الکتریک دفنی را برای حل این مشکل توسعه داده بود. محققان به جای ایجاد حفره مستقیم در نیمه‌رسانا، یک لایه دی‌اکسید سیلیکون را الگودهی کرده و سپس آن را با نیمه‌رسانای اپیتاکسیال پوشاندند. بنابراین ویژگی‌های دی‌الکتریک داخل دستگاه دفن شدند و به حفظ شکل آنها در طول ساخت کمک کردند.
تبدیل تناوبی به شبه‌تناوبی
نویسندگان این مطالعه می‌خواستند این ایده را مطرح و آزمایش کنند که آیا می‌توان خود الگوی بلور فوتونی را غیر تناوبی ساخت یا خیر. آنها با الهام از الگوهای غیر تکراری و محافظت‌شده از نظر توپولوژیکی، یک ساختار شبه‌تناوبی دوره‌ای ایجاد کردند، بنابراین به جای قرار دادن ویژگی‌های یکسان در فواصل کاملاً تکراری، الگو به صورت کنترل‌شده تغییر می‌کند.
محققان از ویژگی‌های کوچک دی‌اکسید سیلیکون با ضریب شکست پایین احاطه شده توسط مواد نیمه‌رسانای با ضریب شکست بالا برای ایجاد لایه بلور شبه‌فوتونی استفاده کردند. این به این دلیل است که الگوی دی‌الکتریک به جای اینکه در معرض دید قرار گیرد، جاسازی شده است و فرآیند رشد مجدد نیمه‌رسانا می‌تواند هندسه پیچیده‌تری را حفظ کند.
دستگاه حاصل، فتوپمپ شده بود؛ به این معنی که یک منبع نور خارجی، انرژی مورد نیاز برای لیزر را تأمین می‌کرد، در دمای اتاق، با طول موج ۱.۵ میکرومتر ساطع می‌شد و عملکرد تک‌حالته را نشان داد.
این موضوع قابل توجه است، زیرا نشان می‌دهد که یک کریستال فوتونی شبه‌تناوبی می‌تواند گسیل لیزر کنترل‌شده‌ای را که معمولاً با طرح‌های تناوبی سخت‌تر مرتبط است، تولید کند.
ارین رفتری(Erin Raftery)، یکی از نویسندگان این مطالعه و دانشجوی دکترا در UIUC می‌گوید: ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم یک الگوی غیر تناوبی و انعطاف‌پذیری بیشتری برای تنظیم آن داشته باشیم. این یک روش متفاوت برای مهندسی تغییر ضریب شکست برای دستیابی به خواص مورد نظر از لیزرهایمان است.
یک پلتفرم لیزری انعطاف‌پذیرتر
دستگاه فعلی هنوز در حد اثبات مفهوم است و عملکرد آن هنوز ثابت نشده است که البته از هر نظر بهتر از PCSELهای معمولی است. این دستگاه به جای تزریق الکتریکی، فتوپمپ شده بود، بنابراین هنوز یک لیزر دیودی کاربردی نیست.
با این حال، رویکرد دی‌الکتریک مدفون می‌تواند امکان ساخت الگوهای کریستال فوتونی مختلف را روی یک زیرلایه فراهم کند و به مهندسان آزادی بیشتری برای بهینه‌سازی لیزرها برای اهداف مختلف بدهد. این انعطاف‌پذیری می‌تواند برای فناوری‌هایی از لیدار سیلیکون-فوتونیک گرفته تا سایر سیستم‌های نوری فشرده مفید باشد.
کنت چاکت(Kent Choquette)، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد مهندسی در UIUC می‌گوید: در حال حاضر، شما فقط می‌توانید یک نوع ساختار را در یک زمان رشد دهید، در حالی که ما می‌توانیم روی همان زیرلایه، مواد را با هم ترکیب کنیم و تطبیق دهیم. این می‌تواند به ما امکان ساخت لیزرهای قابل اعتمادتر و با عملکرد بهتر را بدهد.
هدف بعدی این تیم، یک دستگاه تزریق الکتریکی است که این فناوری را به استفاده در دنیای واقعی نزدیک‌تر می‌کند.
چاکت افزود: ما فیزیک را نشان داده‌ایم. اکنون باید یک دستگاه کاربردی را نشان دهیم.
این مطالعه در مجله Applied Physics Letters منتشر شده است.