據(jù)外媒報(bào)道，新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）與英國(guó)利茲大學(xué)（University of Leeds）的科學(xué)家和工程師們打造了首個(gè)電力驅(qū)動(dòng)的拓補(bǔ)激光器，該激光器能夠使光粒子繞開(kāi)拐角，并且解決激光器設(shè)備制造過(guò)程中遇到的缺陷問(wèn)題。
電驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器是如今最常見(jiàn)的激光器件，被用于條形碼閱讀器和激光打印機(jī)等產(chǎn)品、光纖通信行業(yè)以及自動(dòng)駕駛汽車(chē)激光測(cè)距傳感器等新興應(yīng)用。不過(guò)，制造此類(lèi)激光器是一個(gè)嚴(yán)格的過(guò)程，如果在生產(chǎn)中激光結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了任何缺陷，激光器就會(huì)無(wú)法很好地工作。
新加坡和英國(guó)科學(xué)家們表示，其研究克服了這一長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，而且利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)可以更高效地生產(chǎn)此類(lèi)激光器，生產(chǎn)過(guò)程中造成的浪費(fèi)也更少。他們利用了理論物理學(xué)中的拓補(bǔ)狀態(tài)概念來(lái)制造拓補(bǔ)激光器。
在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，某些材料中流動(dòng)的電子具有拓補(bǔ)特征，意味著可以繞著角落或者缺陷流動(dòng)，而不會(huì)散射或泄露出來(lái)?，F(xiàn)在，新加坡南洋理工大學(xué)的工程師和物理學(xué)家組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)與英國(guó)利茲大學(xué)的材料科學(xué)家合作，將拓補(bǔ)方法應(yīng)用于光粒子，即光子。
新加坡南洋理工大學(xué)電子電氣工程學(xué)院首席科學(xué)家Qi Jie Wang表示：“每一批制造出來(lái)的激光設(shè)備都有一部分由于在制造過(guò)程中有了缺陷，而導(dǎo)致無(wú)法發(fā)射激光，這也是我們探索光的拓補(bǔ)狀態(tài)的動(dòng)機(jī)之一，因?yàn)楣獾耐匮a(bǔ)狀態(tài)比普通光波強(qiáng)大得多。”
在目前的研究中，研究人員采用了一種被稱(chēng)為量子級(jí)聯(lián)激光器的電驅(qū)動(dòng)激光器，此種激光器基于利茲大學(xué)研發(fā)的先進(jìn)半導(dǎo)體晶圓制成。
利茲大學(xué)工程與物理科學(xué)學(xué)院研究與創(chuàng)新中心前任主任Giles Davies FREng教授表示：“拓補(bǔ)激光器就是將基礎(chǔ)科學(xué)現(xiàn)象應(yīng)用于實(shí)際電子設(shè)備中的一個(gè)很好的例子，我們的研究也表明，該現(xiàn)象有能力可以提高激光系統(tǒng)的性能。”
為了在激光器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)拓補(bǔ)狀態(tài)，新加坡南洋理工大學(xué)與利茲大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種包含谷光子晶體的激光器，其設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于被稱(chēng)為二維valleytronic（“谷”和“電子”的組合，在半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)中使用局部能量最小值為谷）絕緣體的電子拓補(bǔ)材料。
該設(shè)計(jì)將六邊形的空洞排列在三角形的晶格中，蝕刻在半導(dǎo)體晶圓上，使其非常緊湊。在該微觀結(jié)構(gòu)中，光的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)在一個(gè)周長(zhǎng)為1.2毫米的三角形回路中傳播，充當(dāng)一個(gè)光學(xué)諧振器，以積累形成激光束所需的光能。
新加坡南洋理工大學(xué)理論物理學(xué)家兼該研究的聯(lián)合首席研究員Yi Dong Chong副教授表示：“光能夠在此回路中傳播，包括繞著三角形的尖角傳播，是由于拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的特殊特性，而普通的光波會(huì)被尖角打斷，無(wú)法順暢地傳播?！?/p>
研究人員們指出，此種新型拓補(bǔ)量子級(jí)聯(lián)激光器的一個(gè)有趣特性是，發(fā)出的光的頻率是太赫茲，介于電磁波譜和紅外區(qū)域之間。而太赫茲光被認(rèn)為將主要用于未來(lái)傳感器、照明和無(wú)線(xiàn)通用技術(shù)應(yīng)用。
未來(lái)，該聯(lián)合小組還將研究利用其他類(lèi)型拓補(bǔ)狀態(tài)的激光器。
Wang教授表示：“我們?cè)谠擁?xiàng)目中利用的設(shè)計(jì)稱(chēng)為谷光子晶體，不是唯一一種創(chuàng)造拓補(bǔ)狀態(tài)的方法。還有很多不同種類(lèi)的拓補(bǔ)狀態(tài)，能夠針對(duì)不同類(lèi)型的缺陷提供保護(hù)。我們認(rèn)為，有可能可以根據(jù)不同設(shè)備和應(yīng)用的需求來(lái)定制設(shè)計(jì)?！?/p>
2018年，以色列理工學(xué)院（Technion）與美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)（the University of Central Florida）也合作研發(fā)了一種拓補(bǔ)激光器，該激光器由一組互相連接的光學(xué)諧振器制成。研究人員表示，光的拓補(bǔ)狀態(tài)可以有效地讓其在激光陣列的角落和缺陷周?chē)鷤鞑?。不過(guò)，此種激光器原型的缺點(diǎn)是比大多數(shù)的半導(dǎo)體激光器大得多，而且要由光學(xué)驅(qū)動(dòng)，意味著需要由另一個(gè)激光器驅(qū)動(dòng)。（文中圖片均來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)）