Вихревые лазеры можно будет использовать в будущих трехмерных дисплеях

Исследователи разработали новый тип органического вихревого лазера, который представляет собой лазер, излучающий спиральный луч света. В будущем миниатюрные массивы этих вихревых лазеров, каждый со слегка отличающейся спиральной формой, могут использоваться в таких приложениях, как 3D-телевизоры, микроскопия и как носители визуальной информации.

Исследователи, во главе с Ифором Самуэлем из Университета Сент-Эндрюса и Томасом Ф. Крауссом из Университета Йорка, как в Великобритании, опубликовали статью об органических вихревых лазерах в недавнем выпуске ACS Nano.

«Лазерные массивы были продемонстрированы ранее, но не с таким контролем над лучами, — сказал Томас Краусс. «Наш подход позволяет нам создавать вихревые пучки контролируемого топологического заряда, мы можем создавать пучки Эйри или пучки Бесселя. Аналогичным образом, ранее были продемонстрированы метаповерхности, которые генерируют такие штриховые пучки, но они были пассивными элементами, а не активными лазерами».

Раньше вихревые лазерные лучи генерировались путем использования отдельных оптических компонентов для формирования луча, что приводило к образованию больших пучков. Новые вихревые лазеры, продемонстрированные здесь, имеют наноструктурную среду усиления, которая непосредственно генерирует вихревой пучок. Это означает, что его можно уменьшить до миниатюрных размеров, которые затем могут быть расположены в массиве. Миниатюрная версия, как ожидается, будет намного более полезна для практических применений.

Для создания спиральных световых пучков исследователи разработали оптическую решетку, состоящую из архимедовой спирали. Когда свет проходит через решетку, он появляется как спиральный луч. Контролируя размеры спиральной решетки, можно управлять свойствами светового луча.

Основной способ сделать это — контролировать количество витков, которое имеет архимедовская спираль. Число витков равно топологическому заряду светового пучка, который представляет собой количество поворотов светового луча на одной длине волны. Таким образом, чем больше количество, тем сильнее спираль светового луча. Здесь исследователи продемонстрировали архимедовы спиральные решетки между нулем (без крутки) и тремя витками.

Этот новый метод генерации вихревых лазеров имеет преимущества перед предыдущими методами в том, что лучи могут генерироваться за один шаг и одним оптическим элементом (решетка). С этими преимуществами исследователи ожидают, что результаты проложат путь к внедрению вихревых лазеров в различных приложениях.

«Мой главный интерес — в органических полупроводниках, которые могут быть просто сфокусированы на таких устройствах», — говорит Ифор Сэмюэль, группа которого предоставила материал для получения органического полупроводника и провела измерения. «Долгосрочная цель состоит в том, чтобы сделать такие лазеры электрически, а не оптически, управляемыми. Ближайшей целью является использование таких лазеров для обнаружения взрывоопасных паров».

Томас Краусс, чья группа разработала наноструктуры, используемые в исследовании, особенно интересуется дисплеями и микроскопическими приложениями.

«На дисплеях вы можете использовать разные порты вихрей для мультиплексирования информации, например, для одновременного проектирования нескольких изображений», — сказал он. «Вихревые пучки представляют интерес для микроскопии, поэтому можно представить массив таких лучей для массивной параллельной микроскопии».

Больше информации: Daan Stellinga et al. «An organic vortex laser.» ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.7b07703