Rõngaspooljuhtlaserites märgatud tumedad solitonid – Physics World

Rõngaspooljuhtlaserites on nähtud spontaanset moodustumist tumedad solitonid – optilise väljasuremise piirkonnad heledal taustal. Rahvusvahelise teadlaste meeskonna tehtud vaatlus võib viia molekulaarspektroskoopia ja integreeritud optoelektroonika paranemiseni.

Sageduskammid – impulsslaserid, mis väljastavad valgust võrdsete sagedustega – on laserfüüsika ajaloo üks olulisemaid saavutusi. Mõnikord nimetatakse neid optilisteks joonlaudadeks, need on aja- ja sagedusstandardite aluseks ning neid kasutatakse paljude teaduse põhisuuruste määratlemiseks. Traditsioonilised sagedusega kammlaserid on aga mahukad, keerulised ja kallid ning lasereksperdid soovivad välja töötada lihtsamaid versioone, mida saab kiipidega integreerida.

2020. aastal tegid teadlased ühe sellise katse Federico CapassoHarvardi ülikooli töörühm avastas kogemata, et pärast esmast väga turbulentsesse režiimi sisenemist asus kvantkaskaadrõngaslaser stabiilse sagedusega kammi – ehkki sellel oli vaid üheksa hammast – keskmises infrapuna-sõrmejälje piirkonnas, mida laialdaselt kasutatakse. molekulaarspektroskoopia.

Rõngaslaseril on optiline õõnsus, milles valgus juhitakse ümber suletud ahela ja kvantkaskaadlaser on infrapunakiirgust kiirgav pooljuhtseade.

Ootamatud tulemused

"Kõik need huvitavad tulemused tulid juhtseadmest – me ei oodanud, et see juhtuks," ütleb Harvard Marco Piccardo. Pärast mitu kuud kestnud peakratsimist jõudsid teadlased järeldusele, et efekti saab mõista süsteemi kirjeldava mittelineaarse diferentsiaalvõrrandi ebastabiilsusena – keerulises Ginzbergi-Landau võrrandis.

Uues töös tegid Capasso ja kolleegid koostööd teadlastega Benedikt Schwarzgrupp Viini Tehnikaülikoolis. Austria meeskond oli välja töötanud mitmeid kvantkaskaadlaseritel põhinevate sageduskammide kujundusi. Teadlased integreerisid samasse kiibi lainejuhi siduri. See muudab valguse eraldamise palju lihtsamaks ja saavutab suurema väljundvõimsuse. Samuti võimaldab see teadlastel häälestada sidestuskadusid, nihutades laserit selle sagedus-kammi režiimi ja režiimi vahel, kus see peaks töötama pidevlainelaserina, mis väljastab pidevalt kiirgust.

"Pidevlaine" režiimis juhtub aga midagi veelgi kummalisemat. Mõnikord, kui laser on sisse lülitatud, käitub see lihtsalt pidevlaine laserina, kuid laseri välja- ja sisselülitamine võib põhjustada ühe või mitme tumeda solitoni juhusliku ilmumise.

Solitonid on mittelineaarsed, mittehajutavad, isetugevduvad kiirguse lainepaketid, mis võivad ruumis levida lõputult ja läbida üksteist tõhusalt muutumatuna. Neid täheldati esmakordselt 1834. aastal veelainetes, kuid hiljem on neid nähtud paljudes teistes füüsilistes süsteemides, sealhulgas optikas.

Solitonid pisikestes vahedes

Selle viimase vaatluse üllatav on see, et solitonid paistavad pidevas laservalguses väikeste tühimikena. See näiliselt väike muutus laseri emissioonis muudab selle sagedusspektri tohutult.

"Kui räägite pidevlaine laserist, tähendab see, et spektripiirkonnas on üks monokromaatiline tipp," selgitab Piccardo. "See langus tähendab kogu maailma... Need kaks pilti on seotud määramatuse põhimõttega, nii et kui teil on midagi ruumis või ajas väga-väga kitsas, tähendab see seda, et spektrivaldkonnas on palju-palju režiime ja neid on palju, Paljud režiimid tähendavad, et saate teha spektroskoopiat ja vaadata molekule, mis kiirgavad väga-väga suures spektrivahemikus.

Tumedaid solitoone on aeg-ajalt varemgi nähtud, kuid mitte kunagi sellise väikese, elektriliselt süstitava laseriga. Piccardo ütleb, et spektriliselt on tume soliton sama kasulik kui hele. Mõned rakendused, nagu pumbasondi spektroskoopia, nõuavad aga eredaid impulsse. Tehnikad, mis on vajalikud tumedatest heledate solitonide tootmiseks, on edasise töö objektiks. Teadlased uurivad ka solitonide deterministlikku tootmist.

Selle kammkonstruktsiooni oluline eelis integreerimisel on see, et kuna valgus ringleb ringlainejuhis ainult ühes suunas, usuvad teadlased, et laser on oma olemuselt immuunne tagasiside suhtes, mis võib häirida paljusid teisi lasereid. Seetõttu ei ole vaja magnetisolaatoreid, mida on sageli võimatu integreerida ränikiipidega kaubanduslikus ulatuses.

Integratsiooni silmas pidades soovivad teadlased laiendada tehnikat kaugemale kui kvantkaskaadlaserid. "Vaatamata sellele, et kiip on väga kompaktne, vajavad kvantkaskaadlaserid tavaliselt töötamiseks kõrget pinget, nii et need ei ole tegelikult viis elektroonikat kiibile panna," ütleb Piccardo. "Kui see võiks töötada ka teistes laserites, näiteks interband-kaskaadlaserites, saaksime kogu asja miniatuurseks muuta ja see võib tõesti töötada akuga."

Laserfüüsik Peter Delfyett Orlando Kesk-Florida ülikoolist usub, et töö on edaspidiseks tööks paljutõotav. "See tume impulss sageduspiirkonnas on värvide pank ja kuigi nende spektraalne puhtus on üsna hea, pole nende täpset positsioneerimist veel saavutatud," ütleb ta. „Asjaolu, et nad saavad seda teha – elektriliselt pumbatava seadmega kiibil solitoneid teha – on tegelikult äärmiselt oluline edasiminek. Kahtlemata."

Uuringut kirjeldatakse artiklis loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/