Gyűrűs félvezető lézerekben észlelt sötét szolitonok – Fizika világ

A gyűrűs félvezető lézerekben spontán módon kialakuló sötét szolitonokat – fényes háttérrel szembeni optikai kioltási régiókat – észleltek. A kutatók nemzetközi csapata által végzett megfigyelés a molekuláris spektroszkópia és az integrált optoelektronika fejlődéséhez vezethet.

A frekvenciafésűk – impulzuslézerek, amelyek azonos frekvenciájú fényt bocsátanak ki – a lézerfizika történetének egyik legfontosabb vívmánya. Néha optikai vonalzóknak nevezik őket, az idő- és frekvenciaszabványok alapját képezik, és számos alapvető mennyiség meghatározására használják a tudományban. A hagyományos frekvenciafésűs lézerek azonban terjedelmesek, bonyolultak és drágák, és a lézerszakértők szívesen dolgoznak ki egyszerűbb, chipekbe integrálható változatokat.

A kutatók 2020-ban egy ilyen kísérletet hajtottak végre Federico CapassoA Harvard Egyetemen dolgozó csoport véletlenül fedezte fel, hogy miután kezdetben egy erősen turbulens rezsimbe került, egy kvantumkaszkád gyűrűs lézer egy stabil frekvenciájú fésűre telepedett le – igaz, amelyen csak kilenc foga volt – a közép-infravörös „ujjlenyomat” régióban, amelyet széles körben használnak molekuláris spektroszkópia.

A gyűrűs lézernek van egy optikai ürege, amelyben a fényt egy zárt hurok körül vezetik, a kvantumkaszkádlézer pedig egy infravörös sugárzást kibocsátó félvezető eszköz.

Váratlan eredmények

„Minden érdekes eredmény egy vezérlőkészülékből származott – nem számítottunk rá, hogy ez megtörténik” – mondja a Harvard's Marco Piccardo. Több hónapig tartó fejvakarás után a kutatók rájöttek, hogy a hatás a rendszert leíró nemlineáris differenciálegyenlet – a komplex Ginzberg–Landau egyenlet – instabilitásán keresztül érthető.

Az új munkában Capasso és munkatársai kutatókkal dolgoztak együtt Schwarz Benediktcsoportja a Bécsi Műszaki Egyetemen. Az osztrák csapat több tervet is kidolgozott a kvantumkaszkád lézereken alapuló frekvenciafésűkhöz. A kutatók egy hullámvezető csatolót integráltak ugyanabba a chipbe. Ez sokkal könnyebbé teszi a fény kivonását és nagyobb kimeneti teljesítményt. Azt is lehetővé teszi a tudósok számára, hogy hangolják a csatolási veszteségeket, és a lézert a frekvencia-fésűs üzemmódja és a folyamatos sugárzást kibocsátó, folytonos hullámú lézerként működő rezsim közé tolják.

A „folyamatos hullám” rendszerben azonban valami még furcsább történik. Néha, amikor a lézer be van kapcsolva, egyszerűen folyamatos hullámú lézerként viselkedik, de a lézer ki- és bekapcsolása véletlenszerűen egy vagy több sötét szoliton megjelenését okozhatja.

A szolitonok nemlineáris, nem diszperzív, önerősítő sugárzási hullámcsomagok, amelyek korlátlan ideig terjedhetnek a térben, és gyakorlatilag változatlan formában haladhatnak át egymáson. Először 1834-ben figyelték meg őket a víz hullámaiban, de később számos más fizikai rendszerben, köztük az optikában is megfigyelték őket.

Solitonok apró résekben

A legújabb megfigyelésben az a meglepő, hogy a szolitonok apró résekként jelennek meg a folyamatos lézerfényben. Ez a látszólag kis változás a lézeremisszióban óriási változást okoz a frekvenciaspektrumában.

„Ha folyamatos hullámú lézerről beszélünk, az azt jelenti, hogy a spektrális tartományban egyetlen monokromatikus csúcs van” – magyarázza Piccardo. „Ez a lemerülés az egész világot jelenti… Ez a két kép a bizonytalanság elve alapján kapcsolódik egymáshoz, tehát ha valami nagyon-nagyon szűk térben vagy időben, az azt jelenti, hogy a spektrális tartományban sok-sok módusod van, és sok van, A sok mód azt jelenti, hogy spektroszkópiát végezhet, és olyan molekulákat nézhet, amelyek nagyon-nagyon nagy spektrális tartományban bocsátanak ki."

Sötét szolitonokat időnként láttak korábban, de ilyen kicsi, elektromosan befecskendezett lézerben soha. Piccardo szerint spektrálisan a sötét szoliton ugyanolyan hasznos, mint a világos. Egyes alkalmazások, például a pumpás szonda spektroszkópia azonban fényes impulzusokat igényelnek. A sötét szolitonok fényes szolitonjainak előállításához szükséges technikák további munka tárgyát képezik. A kutatók azt is vizsgálják, hogyan lehet determinisztikusan szolitonokat előállítani.

Ennek a fésűs kialakításnak az integráció szempontjából kulcsfontosságú előnye, hogy mivel a fény csak egy irányba kering a gyűrűs hullámvezetőben, a kutatók úgy vélik, hogy a lézer eleve immunis a visszacsatolásra, amely sok más lézert megzavarhat. Ezért nincs szükség mágneses leválasztókra, amelyeket kereskedelmi méretekben gyakran lehetetlen szilícium chipekbe integrálni.

Az integrációt szem előtt tartva a kutatók a technikát a kvantumkaszkádlézereken túl is szeretnék kiterjeszteni. "Annak ellenére, hogy a chip nagyon kompakt, a kvantumkaszkád lézerek működéséhez általában nagy feszültségre van szükség, így nem igazán lehet az elektronikát a chipre helyezni" - mondja Piccardo. "Ha ez más lézereknél, például sávközi kaszkádlézereknél működhetne, miniatürizálhatnánk az egészet, és valóban akkumulátorral működne."

Lézerfizikus Delfyett Péter Az Orlandói Közép-Floridai Egyetem munkatársa úgy véli, hogy a munka ígéretes a jövőbeli munkához. „Ez a sötét impulzus a frekvenciatartományban a színek bankja, és bár a spektrális tisztaságuk elég jó, a pontos pozicionálásukat még nem sikerült elérni” – mondja. „Az azonban, hogy ezt megtehetik – chipre szolitonokat készítenek elektromosan szivattyús berendezéssel –, az valójában rendkívül jelentős előrelépés. Kétséget kizáróan."

A kutatás leírása a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/