Tummat solitonit, jotka havaittiin rengaspuolijohdelasereissa – Physics World

Tummia solitonit – optisen sammumisen alueita kirkkaita taustoja vasten – on nähty muodostuvan spontaanisti rengaspuolijohdelasereissa. Kansainvälisen tutkijaryhmän tekemä havainto voi johtaa parannuksiin molekyylispektroskopiassa ja integroidussa optoelektroniikassa.

Taajuuskammat – pulssilaserit, jotka tuottavat valoa tasaisin taajuuksin – ovat yksi laserfysiikan historian tärkeimmistä saavutuksista. Joskus niitä kutsutaan optisiksi viivoiksi, ne ovat aika- ja taajuusstandardien perusta ja niitä käytetään määrittämään monia tieteen perussuureita. Perinteiset taajuuskampalaserit ovat kuitenkin tilaa vieviä, monimutkaisia ​​ja kalliita, ja laserasiantuntijat ovat innokkaita kehittämään yksinkertaisempia versioita, jotka voidaan integroida siruihin.

Tehdessään yhden tällaisen yrityksen vuonna 2020, tutkijat vuonna XNUMX Federico CapassoHarvardin yliopiston ryhmä havaitsi vahingossa, että päästyään alun perin erittäin turbulenttiseen järjestelmään kvanttikaskadirengaslaser asettui vakaan taajuuden kammalle – vaikkakin vain yhdeksän hammasta sisältävälle – keski-infrapuna "sormenjälki" alueelle, jota käytetään laajalti molekyylispektroskopia.

Rengaslaserissa on optinen onkalo, jossa valoa ohjataan suljetun silmukan ympäri ja kvanttikaskadilaser on infrapunasäteilyä lähettävä puolijohdelaite.

Odottamattomia tuloksia

"Kaikki nuo mielenkiintoiset tulokset tulivat ohjauslaitteesta – emme odottaneet tämän tapahtuvan", sanoo Harvardin Marco Piccardo. Kuukausien pään raapimisen jälkeen tutkijat selvittivät, että vaikutus voidaan ymmärtää järjestelmää kuvaavan epälineaarisen differentiaaliyhtälön – kompleksisen Ginzberg–Landau-yhtälön – epävakaudena.

Uudessa työssä Capasso ja kollegat tekivät yhteistyötä tutkijoiden kanssa Benedikt Schwarzryhmä Wienin teknillisessä yliopistossa. Itävaltalainen tiimi oli kehittänyt useita malleja taajuuskammoille, jotka perustuivat kvanttikaskadilasereihin. Tutkijat integroivat aaltoputkikytkimen samaan siruun. Tämä helpottaa valon poistamista ja saavuttaa suuremman lähtötehon. Sen avulla tutkijat voivat myös virittää kytkentähäviöitä työntämällä laseria sen taajuuskampa-järjestelmän ja sen järjestelmän välillä, jossa sen pitäisi toimia jatkuvan aallon laserina, joka tuottaa jatkuvasti säteilyä.

"Jatkuvan aallon" järjestelmässä tapahtuu kuitenkin jotain vieläkin outoa. Joskus, kun laser on kytketty päälle, se käyttäytyy yksinkertaisesti jatkuvan aallon laserina, mutta laserin pyyhkäiseminen pois ja päälle voi aiheuttaa yhden tai useamman tumman solitonin ilmestymisen satunnaisesti.

Solitonit ovat epälineaarisia, hajoamattomia, itseään vahvistavia säteilyn aaltopaketteja, jotka voivat levitä avaruudessa rajattomasti ja kulkea toistensa läpi käytännössä muuttumattomina. Niitä havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1834 veden aalloissa, mutta myöhemmin niitä on nähty lukuisissa muissa fyysisissä järjestelmissä, mukaan lukien optiikassa.

Solitonit pienissä aukoissa

Yllättävää tässä uusimmassa havainnossa on, että solitonit näkyvät pieninä rakoina jatkuvassa laservalossa. Tämä näennäisesti pieni muutos laseremissiossa tekee valtavan muutoksen sen taajuusspektrissä.

"Kun puhutaan jatkuvan aallon laserista, se tarkoittaa, että spektrialueella on yksi monokromaattinen huippu", Piccardo selittää. "Tämä notkahdus tarkoittaa koko maailmaa... Nämä kaksi kuvaa liittyvät toisiinsa epävarmuusperiaatteella, joten kun sinulla on jotain hyvin, hyvin kapeaa tilassa tai ajassa, se tarkoittaa, että spektrialueella sinulla on monia, monia moodeja, ja niitä on monia, monet tilat tarkoittavat, että voit tehdä spektroskopiaa ja tarkastella molekyylejä, jotka emittoivat erittäin suurella spektrialueella."

Tummia solitoneja on ajoittain nähty ennenkin, mutta ei koskaan tällaisessa pienessä, sähköisesti ruiskutetussa laserissa. Piccardo sanoo, että spektraalisesti tarkasteltuna tumma solitoni on yhtä hyödyllinen kuin kirkas. Jotkut sovellukset, kuten pumppu-anturispektroskopia, vaativat kuitenkin kirkkaita pulsseja. Jatkotyön kohteena ovat tekniikat, joita tarvitaan kirkkaiden solitonien tuottamiseksi tummista. Tutkijat tutkivat myös solitonien tuottamista deterministisesti.

Tämän kamparakenteen tärkeä etu integroinnin kannalta on, että koska valo kiertää vain yhteen suuntaan rengasaaltoputkessa, tutkijat uskovat, että laser on luonnostaan ​​immuuni palautteelle, joka voi häiritä monia muita lasereita. Siksi se ei vaadi magneettisia isolaattoreita, joita on usein mahdotonta integroida piisiruihin kaupallisessa mittakaavassa.

Integraatiota silmällä pitäen tutkijat haluavat laajentaa tekniikkaa kvanttikaskadilasereita pidemmälle. "Vaikka siru on todella kompakti, kvanttikaskadilaserit vaativat yleensä korkean jännitteen toimiakseen, joten ne eivät ole varsinainen tapa laittaa sirulle elektroniikkaa", Piccardo sanoo. "Jos tämä toimisi muissa lasereissa, kuten kaistanvälisissä kaskadilasereissa, voisimme pienentää koko asian ja se voisi todella toimia paristoilla."

Laserfyysikko Peter Delfyett Keski-Floridan yliopistosta Orlandossa uskoo, että työ lupaa tulevaa työtä. "Tämä tumma pulssi taajuusalueella on väripankki, ja vaikka niiden spektripuhtaus on melko hyvä, niiden tarkkaa sijaintia ei ole saavutettu - vielä", hän sanoo. ”Mutta se, että he voivat tehdä tämän – valmistaa siruja sähköisesti pumpattavalla laitteella – on itse asiassa erittäin merkittävä edistysaskel. Epäilemättä."

Tutkimusta kuvataan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/