DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-025-01964-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40595228
تاريخ النشر: 2025-07-01
المؤلف: Ye Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون ملاحظة جديدة عن الانبعاث الكيرالي الذي يسهل من خلال التذبذبات الجماعية للرنينات الموجهة (GRs) داخل هيكل بلورة فوتونية (PhC). من خلال استخدام تشتت الحدود الدائري، تظهر الرنينات الموجهة حركة دورانية متزامنة، مما يؤدي إلى واجهة طور لولبية في الإشعاع المنبعث. يتم رفع التماثل بين الأوضاع في اتجاه عقارب الساعة (CW) وعكس اتجاه عقارب الساعة (CCW) من خلال تأثيرات الاقتران غير الهيرميتي، مما يمكّن من الليزر أحادي الوضع عند عتبة 18 كيلووات سم$^{-2}$ عبر الضخ غير المتماثل. يتميز طبيعة دوامة الليزر الكيرالية من خلال التصوير المحلل للقطبية وأنماط التداخل الذاتي.
تسلط الأبحاث الضوء على أهمية الأوضاع الجماعية عبر أنظمة الموجات المختلفة، مع التأكيد على دور الاقترانات المستحثة في ربط الأوضاع الفردية. يظهر المؤلفون أن ظهور النقاط الاستثنائية (EPs) في فضاء المعلمات يؤدي إلى سلوكيات حالة ذاتية فريدة، مع إمكانية اختيار الوضع الحرج لتحقيق الليزر أحادي الوضع. علاوة على ذلك، يقترحون أن الآليات التي تتجاوز تشتت الحدود، مثل الاضطرابات العشوائية والشبكات الفائقة، يمكن أن تعزز من التذبذبات الجماعية في أنظمة الجسيمات المتعددة. تشير النتائج إلى أن الرنينات الموجهة الجماعية (CGRs) قد تكون طريقًا واعدًا لتوليد الدوامات على الرقاقة، مع آثار على تطبيقات الطاقة العالية في المناورة البصرية، والكشف، والاتصالات.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة في تصنيع العينات وإعداد التجارب للتحقيق في خصائص البلورات الفوتونية (PhCs) المستمدة من شريحة متعددة الكم من InGaAsP على ركيزة InP. تتضمن عملية التصنيع تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة الإلكترونية وحفر البلازما الجاف، تليها إزالة طبقة تضحوية باستخدام حمض الهيدروكلوريك لتحقيق التماثل العمودي المرآوي اللازم للحالات المقيدة في الاستمرارية (BICs). تم تأكيد المعلمات الهيكلية للبلورة الفوتونية، بما في ذلك التكرار ($a = 537 \, \text{nm}$)، والقطر ($r_A = 164 \, \text{nm}$)، والارتفاع ($h = 622 \, \text{nm}$)، من خلال المجهر الإلكتروني الماسح.
يتضمن إعداد التجربة ضخًا ضوئيًا للعينة في درجة حرارة الغرفة باستخدام ليزر نابض عند طول موجي قدره $1,064 \, \text{nm}$. يتم تصميم شعاع الضخ لإنشاء ملف غير متماثل ويتم تخفيفه لمنع تلف العينة. ينتج عن الليزر شعاع دوامة ينبعث عموديًا، والذي يتم تحليله من خلال التصوير في الفضاء الحقيقي وتقنيات التداخل الذاتي باستخدام مقياس تداخل ماخ-زيندر. يتم تسجيل طيف الانبعاث باستخدام مقياس الطيف الأحادي، يغطي النطاق من $1,540 \, \text{nm}$ إلى $1,570 \, \text{nm}$، مما يسمح بالتوصيف التفصيلي لميزات الدوامة وتأكيد السلوكيات البصرية المتوقعة المرتبطة بهيكل البلورة الفوتونية.
نقاش
في هذه الدراسة، نقدم تصميمًا جديدًا لليزر كيرالي باستخدام غشاء معلق من InGaAsP مع آبار كمومية مدمجة كمواد كسب بصرية. يستخدم الهيكل بلورة فوتونية (PhC) مع حدود دائرية لحصر الضوء وتسهيل التذبذبات الجماعية للرنينات الموجهة (GRs). يسمح هذا التكوين بظهور واجهات موجية لولبية في الإشعاع المنبعث. تؤدي التفاعلات بين الرنينات الموجهة الضخمة، المستحثة بواسطة الحدود غير المتجانسة، إلى اقتران يكسر التماثل بين الأوضاع في اتجاه عقارب الساعة (CW) وعكس اتجاه عقارب الساعة (CCW)، مما يؤدي إلى ظاهرة الليزر أحادي الوضع عند عتبة 18 كيلووات سم$^{-2}$.
تؤكد الملاحظات التجريبية التنبؤات النظرية، حيث يختار الضخ غير المتماثل بشكل فعال وضعًا مهيمنًا لليزر. يظهر الشعاع المنبعث شكلًا مميزًا على شكل دونات وخصائص قطبية تشير إلى طبيعته الكيرالية. تكشف تقنيات التداخل الذاتي عن تفردات طور تتماشى مع الهيكل المتوقع لشعاع الدوامة، مما يحقق المزيد من التحقق من وجود الليزر الكيرالي. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات الأوضاع الجماعية في الأنظمة الفوتونية وتقترح أن تصميم الليزر الكيرالي المقترح يمكن أن يؤدي إلى تقدم في تقنيات المناورة البصرية والاتصالات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-025-01964-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40595228
Publication Date: 2025-07-01
Author(s): Ye Chen et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Overview
In this study, the authors present a novel observation of chiral emission facilitated by the collective oscillations of guided resonances (GRs) within a photonic crystal (PhC) structure. By utilizing circular boundary scattering, the GRs exhibit synchronized rotational motion, resulting in a spiral phase front in the emitted radiation. The degeneracy between clockwise (CW) and counterclockwise (CCW) modes is lifted through non-Hermitian coupling effects, enabling single-mode lasing at a threshold of 18 kW cm$^{-2}$ via asymmetric pumping. The chiral vortex nature of the lasing beam is characterized through polarization-resolved imaging and self-interference patterns.
The research highlights the significance of collective modes across various wave systems, emphasizing the role of induced couplings in connecting individual modes. The authors demonstrate that the emergence of exceptional points (EPs) in the parameter space leads to unique eigenstate behaviors, with the potential for mode selection critical for achieving single-mode lasing. Furthermore, they suggest that mechanisms beyond boundary scattering, such as random disorders and superlattices, could further enhance collective oscillations in many-body systems. The findings indicate that collective guided resonances (CGRs) may serve as a promising avenue for on-chip vortex generation, with implications for high-output power applications in optical manipulation, detection, and communication.
Methods
In this section, the authors describe the methods used for sample fabrication and experimental setup to investigate the properties of photonic crystals (PhCs) derived from an InGaAsP multiple-quantum-well wafer on an InP substrate. The fabrication process involves electron beam lithography and plasma dry etching, followed by the removal of a sacrificial layer using hydrochloric acid to achieve the necessary vertical mirror symmetry for bound states in the continuum (BICs). The structural parameters of the PhC, including periodicity ($a = 537 \, \text{nm}$), diameter ($r_A = 164 \, \text{nm}$), and height ($h = 622 \, \text{nm}$), were confirmed through scanning electron microscopy.
The experimental setup includes optical pumping of the sample at room temperature with a pulsed laser at a wavelength of $1,064 \, \text{nm}$. The pump beam is tailored to create an asymmetric profile and attenuated to prevent damage to the sample. The resulting lasing generates a vertical-emitting vortex beam, which is analyzed through real-space imaging and self-interference techniques using a Mach-Zehnder interferometer. The emission spectrum is recorded with a monochromator, covering the range from $1,540 \, \text{nm}$ to $1,570 \, \text{nm}$, allowing for detailed characterization of the vortex features and confirming the expected optical behaviors associated with the PhC structure.
Discussion
In this study, we present a novel design for a chiral laser utilizing a suspended InGaAsP membrane with embedded quantum wells as optical gain materials. The structure employs a photonic crystal (PhC) with a circular boundary to confine light and facilitate collective oscillations of guided resonances (GRs). This configuration allows for the emergence of spiral phase wavefronts in the emitted radiation. The interaction between bulk GRs, induced by the nonuniform boundary, leads to a coupling that breaks the degeneracy of clockwise (CW) and counterclockwise (CCW) modes, resulting in a single-mode lasing phenomenon at a threshold of 18 kW cm$^{-2}$.
Experimental observations confirm the theoretical predictions, with asymmetric pumping effectively selecting a dominant mode for lasing. The emitted beam exhibits a distinct donut shape and polarization characteristics indicative of its chiral nature. Self-interference techniques reveal phase singularities consistent with the expected vortex beam structure, further validating the presence of chiral lasing. This work highlights the potential of collective modes in photonic systems and suggests that the proposed chiral laser design could lead to advancements in optical manipulation and communication technologies.