Zespół naukowców z Instytutu Fizyki PŁ pracujący pod kierunkiem prof. Tomasza Czyszanowskiego opisał nowe zjawisko polegające na zwiększeniu mocy optycznej emitowanej przez lasery VCSEL w wyniku złamania ich symetrii cylindrycznej. W ostatnim wydaniu Nature Photonics dostrzeżono nowatorstwo i znaczenie aplikacyjne tego odkrycia, poświęcając mu artykuł z serii News & Views: „Asymmetry brings power boost”.
Na czym polega innowacyjność tych badań? Wyjaśnia to prof. Czyszanowski z Wydziału Fizyki Technicznej Informatyki i Matematyki Stosowanej:
Prof. Tomasz Czyszanowski (pierwszy od lewej) z zespołem naukowym fotoniki: dr hab. Michałem Wasiakiem, mgr inż. Magdaleną Marciniak i dr. inż. Marcinem Gębskim
foto: Jacek Szabela
Odkryte zjawisko jest wynikiem zniesienia degeneracji stanów optycznych w układach niesymetrycznych, co umożliwia efektywniejszą emisję wymuszoną. Można je sobie wyobrażać przez odległe i nieścisłe, lecz obrazowe porównanie do sita, przez które przelatuje piasek. Piasek w sicie to elektrony zgromadzone w pobliżu obszaru laserującego. Piasek przelatujący przez otwory sita to elektrony wpadające do obszaru laserującego, które zamieniają swoją energię w fotony, a te przyłączają się do innych fotonów tworzących wiązkę laserową. Jeśli w sicie znajdzie się większa gęstość otworów, wówczas piasek szybciej będzie przelatywał przez sito. Zaburzenie cylindrycznej symetrii lasera powoduje efekt analogiczny do zwiększenia gęstości otworów w sicie. Elektrony nagromadzone w pobliżu obszaru laserującego zyskują większe prawdopodobieństwo, aby trafić do obszaru laserującego i zamienić swoją energię w foton w procesie emisji wymuszonej, co powoduje zwiększenie liczby fotonów w wiązce laserowej.
Zainteresowanie półprzewodnikowymi laserami typu VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) eksplodowało w ostatnich latach w związku z wykorzystaniem ich do celów trójwymiarowego obrazowania przestrzeni w urządzeniach i pojazdach poruszających się autonomicznie lub monitorujących otaczającą nas przestrzeń. Zakres urządzeń wykorzystujących lasery typu VCSEL jest bardzo szeroki, począwszy od telefonów komórkowych, przez roboty, odkurzacze samobieżne, po samochody i drony.
- Atrakcyjność laserów VCSEL wynika z ich cylindrycznej geometrii, która odróżnia je od powszechniej znanych półprzewodnikowych diod laserowych, zwanych także laserami o emisji krawędziowej. Wykorzystanie symetrii cylindrycznej w laserach VCSEL pozwala uzyskać wiązkę laserową o kołowym przekroju i niewielkiej rozbieżności, niemożliwą do uzyskania przez diody laserowe. Symetria cylindryczna wynika również ze specyfiki procesów technologicznych wykorzystywanych w produkcji laserów VCSEL, a także z ludzkiego dążenia do tworzenia struktur uporządkowanych, a zatem symetrycznych. W naszych badaniach skupiliśmy się na zaburzeniu geometrii cylindrycznej, co doprowadziło nas do wniosku, że przynajmniej w przypadku laserów nie wszystko co uporządkowane i symetryczne musi jednocześnie być najefektywniejsze - mówi prof. Czyszanowski, który specjalizuje się w projektowaniu laserów półprzewodnikowych i struktur fotonicznych.
