Mørke solitoner spottet i ringhalvlederlasere – Physics World

Mørke solitoner spottet i ringhalvlederlasere – Physics World

Tidsstempel: 31. januar 2024 kl. 8
Kildeknude: 3091165


Lagerbillede, der viser lys ved forskellige frekvenser
Mørke og lys: mørke solitoner er blevet skabt i en elektrisk indsprøjtet laser. (Med høflighed: iStock/agsandrew)

Mørke solitoner - områder med optisk udryddelse mod lyse baggrunde - er blevet set spontant dannes i ringhalvlederlasere. Lavet af et internationalt team af forskere, kan observationen føre til forbedringer inden for molekylær spektroskopi og integreret optoelektronik.

Frekvenskamme – pulserende lasere, der udsender lys med lige store frekvenser – er en af ​​de vigtigste præstationer i laserfysikkens historie. Nogle gange omtalt som optiske linealer, er de grundlaget for tids- og frekvensstandarder og bruges til at definere mange fundamentale størrelser i videnskaben. Traditionelle frekvenskamlasere er dog omfangsrige, komplekse og dyre, og lasereksperter er opsatte på at udvikle enklere versioner, der kan integreres i chips.

Mens de foretog et sådant forsøg i 2020, forsøgte forskere i Federico Capasso's gruppe ved Harvard University opdagede ved et uheld, at en kvantekaskaderinglaser, efter at have gået ind i et meget turbulent regime, slog sig ned til en stabil frekvenskam - omend en med kun ni tænder - i det melleminfrarøde "fingeraftryk"-område, der er meget brugt i molekylær spektroskopi.

En ringlaser har et optisk hulrum, hvor lys ledes rundt i en lukket sløjfe, og en kvantekaskadelaser er en halvlederanordning, der udsender infrarød stråling.

Uventede resultater

"Alle de interessante resultater kom fra en kontrolenhed - vi havde ikke forventet, at dette ville ske," siger Harvard's Marco Piccardo. Efter måneders hovedskraber fandt forskerne ud af, at effekten kan forstås som en ustabilitet i den ikke-lineære differentialligning, der beskriver systemet - den komplekse Ginzberg-Landau-ligning.

I det nye arbejde gik Capasso og kolleger sammen med forskere i Benedikt Schwarz's gruppe ved Vienna University of Technology. Det østrigske team havde udviklet flere designs til frekvenskamme baseret på kvantekaskadelasere. Forskerne integrerede en bølgelederkobler i den samme chip. Dette gør det meget nemmere at udvinde lys og opnår større udgangseffekt. Det giver også forskerne mulighed for at tune koblingstabene og skubbe laseren mellem dens frekvens-kam-regime og det regime, hvor den skal fungere som en kontinuerlig bølgelaser, der udsender stråling kontinuerligt.

I det "kontinuerlige bølge"-regime sker der dog noget endnu mærkeligere. Nogle gange, når laseren er tændt, opfører den sig ganske enkelt som en kontinuerlig bølgelaser, men at slå laseren til og fra kan det få en eller flere mørke solitoner til at dukke op tilfældigt.

Solitoner er ikke-lineære, ikke-dispersive, selvforstærkende bølgepakker af stråling, der kan forplante sig gennem rummet på ubestemt tid og passere gennem hinanden i praksis uændret. De blev først observeret i 1834 i vandbølger, men er efterfølgende blevet set i adskillige andre fysiske systemer, herunder optik.

Solitoner i små huller

Det overraskende ved denne seneste observation er, at solitonerne fremstår som små huller i det kontinuerlige laserlys. Denne tilsyneladende lille ændring i laseremissionen gør en enorm ændring af dets frekvensspektrum.

"Når man taler om en kontinuerlig bølgelaser, betyder det, at man i det spektrale domæne har en enkelt monokromatisk top," forklarer Piccardo. "Denne dyk betyder hele verden... Disse to billeder er relateret til usikkerhedsprincippet, så når du har noget meget, meget snævert i rum eller tid, betyder det, at du i det spektrale domæne har mange, mange tilstande og har mange, mange tilstande betyder, at du kan lave spektroskopi og se på molekyler, der udsender over et meget, meget stort spektralområde."

Mørke solitoner er af og til set før, men aldrig i en lille, elektrisk indsprøjtet laser som denne. Piccardo siger, at spektralt set er en mørk soliton lige så nyttig som en lys. Nogle applikationer såsom pumpe-probe spektroskopi kræver dog lyse pulser. De nødvendige teknikker til at producere lyse solitoner fra mørke vil være genstand for yderligere arbejde. Forskerne studerer også, hvordan man producerer solitoner deterministisk.

En afgørende fordel ved dette kamdesign til integration er, at da lyset kun cirkulerer i én retning i ringbølgelederen, mener forskerne, at laseren i sagens natur er immun over for den feedback, der kan forstyrre mange andre lasere. Det ville derfor ikke kræve magnetiske isolatorer, som ofte er umulige at integrere i siliciumchips i kommerciel skala.

Med integration i tankerne ønsker forskerne at udvide teknikken ud over kvantekaskadelasere. "På trods af, at chippen er virkelig kompakt, kræver kvantekaskadelasere typisk høje spændinger for at fungere, så de er ikke rigtig en måde at sætte elektronikken på chippen på," siger Piccardo. "Hvis dette kunne fungere i andre lasere, såsom interband-kaskadelasere, så kunne vi miniaturisere det hele, og det kunne virkelig være batteridrevet."

Laser fysiker Peter Delfyett fra University of Central Florida i Orlando mener, at arbejdet lover fremtidigt arbejde. "Denne mørke puls i frekvensdomænet er en bank af farver, og selvom deres spektrale renhed er ret god, er deres nøjagtige positionering ikke blevet opnået - endnu," siger han. "Men det faktum, at de kan gøre dette - at lave solitoner på chip med en elektrisk pumpet enhed - det er faktisk et ekstremt betydeligt fremskridt. Uden tvivl."

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden