يشير التنظيم الذاتي- إلى ظاهرة الرنين الجماعي حيث يتم ترتيب العناصر الفردية تلقائيًا في أنماط مرتبة من خلال التفاعلات الداخلية. ومع ذلك، فإن التزامن الفوضوي متعدد الأوضاع في تجاويف ليزر أشباه الموصلات التقليدية يحد من أدائها في التطبيقات العملية. الضوئيات الطوبولوجية، التي نشأت من نظرية الحالات الطوبولوجية في فيزياء المادة المكثفة، تستخدم "الثوابت الطوبولوجية" لوصف بنية شريط البلورات الضوئية. يقدم هذا النهج نموذجًا جديدًا لبناء حالات ضوئية قوية وأحادية الاتجاه وموضعية للغاية.
في الآونة الأخيرة، قام فريق بقيادة الأكاديمي تشنغ وانهوا من معهد أشباه الموصلات، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، بنشر عمل رائد في مراجعات الليزر والضوئيات. لقد نجحوا في ملاحظة انبعاث ليزر منظم ذاتيًا-استنادًا إلى حالات الحافة الطوبولوجية غير المحلية، مما أدى إلى تحقيق مخرجات ليزر متماسكة على نطاق واسع-عالية-. يعمل هذا الإنجاز على حل التناقض الأساسي في أجهزة الليزر التقليدية-والقيد المتبادل بين الطاقة العالية والتماسك العالي. -وهو مقايضة-غالبًا ما تفرضها القيود المادية في الأجهزة التقليدية. من خلال الاستفادة من آلية تزامن التنظيم الذاتي- بمساعدة حالات الحافة الطوبولوجية غير المحلية والتعديل غير الهرمي-، يحافظ هذا البحث على ميزة التماسك العالية التي تمنحها الحماية الطوبولوجية والتنظيم الذاتي-. وفي الوقت نفسه، يعمل على توسيع توزيع الطاقة من خلال إلغاء التوزيع، مما يشكل في نهاية المطاف حلاً تقنيًا مبتكرًا يعمل بشكل تآزري على تحسين "تماسك-الطاقة".
الشكل 1: رسم تخطيطي لإخراج الليزر الطوبولوجي المنظم ذاتيًا والمبادئ الأساسية
بدءًا من النموذج الكلاسيكي -الطوبولوجي الأبعاد Su-Schrieffer-Heeger (SSH)، استفاد فريق البحث من حماية التناظر اللولبي للهيكل لتعديل قوة الاقتران داخل شبكة SSH، وتحقيق توزيع غير محلي لحالات الحافة الطوبولوجية في الفضاء الحقيقي. في الوقت نفسه، من خلال التعديل غير الهرمي المبني على هياكل قطبية منقوشة، تحافظ حالات الحافة الطوبولوجية غير المحلية على الهيمنة على الخلفيات المضطربة، وتظهر أنماط تنظيم ذاتي- فريدة. بالمقارنة مع أجهزة الليزر البلورية الضوئية ذات النطاق المكافئ، يُظهر هذا الليزر الطوبولوجي تماسكًا مكانيًا أعلى، مما يؤدي إلى عتبات أقل، وأوضاع إخراج مكانية أكثر استقرارًا، وتباين أعلى للبقع. علاوة على ذلك، فهو يوسع نطاق التوزيع المكاني لحالات الحافة الطوبولوجية ويشتمل على قارنات تحويل الطور لتعزيز كثافة الطاقة الضوئية الناتجة.
الشكل 2: التصميم التخطيطي لحالات الحافة الطوبولوجية غير المحلية
الشكل 3: مقارنة الليزر الطوبولوجي مع تجارب الكريستال الضوئية على نطاق مكافئ
لا يؤدي هذا النهج إلى تنويع المسارات التقنية لليزر الطوبولوجي فحسب، بل يتماشى أيضًا مع اتجاه الضوئيات الطوبولوجية التي تتغلغل في الرقائق الضوئية المتكاملة والبواعث الضوئية عالية الأداء-، مما يؤدي إلى مزيد من التقدم في التطبيق العملي للفيزياء الطوبولوجية في مجال الضوئيات. تم نشر النتائج التي تحمل عنوان "الليزر المنظم ذاتيًا للحالة غير المحلية التي تم تمكينها بواسطة التلاعب غير الهرمي والتناظر اللولبي"، في مجلة Laser & Photonics Review (DOI: 10.1002/lpor.202501772). يعد باحث ما بعد الدكتوراه تشين جينغشوان والمرشح للدكتوراه تانغ تشينيان من معهد أشباه الموصلات، الأكاديمية الصينية للعلوم، المؤلفين الأوائل المشاركين. الباحث الشاب وانغ مينغ جين والأكاديمي زينج وان هوا هما المؤلفان المراسلان-.
