Ciemne solitony dostrzeżone w pierścieniowych laserach półprzewodnikowych – Świat Fizyki

W pierścieniowych laserach półprzewodnikowych zaobserwowano samoistne powstawanie ciemnych solitonów – obszarów wygaszania optycznego na jasnym tle. Obserwacja dokonana przez międzynarodowy zespół naukowców może doprowadzić do udoskonalenia spektroskopii molekularnej i zintegrowanej optoelektroniki.

Grzebienie częstotliwości – lasery impulsowe emitujące światło o jednakowych częstotliwościach – to jedno z najważniejszych osiągnięć w historii fizyki laserów. Czasami nazywane linijkami optycznymi, stanowią podstawę standardów czasu i częstotliwości oraz służą do definiowania wielu podstawowych wielkości w nauce. Tradycyjne lasery grzebieniowe są jednak nieporęczne, złożone i drogie, dlatego eksperci od laserów chętnie opracowują prostsze wersje, które można zintegrować z chipami.

Podejmując jedną taką próbę w 2020 r., badacze z in Federica Capassogrupa na Uniwersytecie Harvarda odkryła przypadkowo, że po wejściu w wysoce turbulentny tryb, kwantowy laser z pierścieniem kaskadowym ustalił się na grzebień o stabilnej częstotliwości – aczkolwiek mający tylko dziewięć zębów – w obszarze „odcisku palca” średniej podczerwieni, szeroko stosowanym w spektroskopia molekularna.

Laser pierścieniowy posiada wnękę optyczną, w której światło prowadzone jest po zamkniętej pętli, natomiast laser kaskadowy kwantowy jest urządzeniem półprzewodnikowym emitującym promieniowanie podczerwone.

Nieoczekiwane wyniki

„Wszystkie te interesujące wyniki uzyskano za pomocą urządzenia sterującego – nie spodziewaliśmy się, że tak się stanie” – mówi Harvard's Marco Piccardo. Po miesiącach zawracania sobie głowy badacze odkryli, że efekt można zrozumieć w kategoriach niestabilności nieliniowego równania różniczkowego opisującego układ – złożonego równania Ginzberga-Landaua.

W nowej pracy Capasso i współpracownicy nawiązali współpracę z badaczami z Benedykt Schwarzgrupa na Politechnice Wiedeńskiej. Austriacki zespół opracował kilka projektów grzebieni częstotliwości opartych na kwantowych laserach kaskadowych. Naukowcy zintegrowali sprzęgacz falowodowy w tym samym chipie. Dzięki temu znacznie łatwiej jest wydobyć światło i uzyskać większą moc wyjściową. Umożliwia także naukowcom dostrojenie strat sprzężenia, przesuwając laser między trybem grzebienia częstotliwości a trybem, w którym powinien działać jako laser o fali ciągłej, emitujący promieniowanie w sposób ciągły.

Jednak w reżimie „ciągłej fali” dzieje się coś jeszcze dziwniejszego. Czasami po włączeniu laser zachowuje się jak laser o fali ciągłej, ale wyłączanie i włączanie lasera może spowodować losowe pojawienie się jednego lub większej liczby ciemnych solitonów.

Solitony to nieliniowe, niedyspersyjne, samowzmacniające się pakiety fal promieniowania, które mogą rozprzestrzeniać się w przestrzeni w nieskończoność i przenikać przez siebie w praktycznie niezmienionej formie. Po raz pierwszy zaobserwowano je w 1834 roku w falach wodnych, ale później zaobserwowano je w wielu innych układach fizycznych, w tym w optyce.

Solitony w małych szczelinach

Zaskakującą rzeczą w tej ostatniej obserwacji jest to, że solitony pojawiają się jako maleńkie przerwy w ciągłym świetle lasera. Ta pozornie niewielka zmiana w emisji lasera powoduje ogromną zmianę w jego widmie częstotliwości.

„Kiedy mówisz o laserze o fali ciągłej, oznacza to, że w domenie widmowej masz pojedynczy monochromatyczny pik” – wyjaśnia Piccardo. „To zanurzenie oznacza cały świat… Te dwa obrazy są powiązane zasadą nieoznaczoności, więc jeśli masz coś bardzo, bardzo wąskiego w przestrzeni lub czasie, oznacza to, że w dziedzinie widmowej masz wiele, wiele modów i mając ich wiele, wiele trybów oznacza, że ​​można wykonać spektroskopię i przyjrzeć się cząsteczkom emitującym promieniowanie w bardzo, bardzo dużym zakresie widmowym”.

Ciemne solitony czasami widywano już wcześniej, ale nigdy w takim małym, zasilanym elektrycznie laserze. Piccardo twierdzi, że z punktu widzenia widma ciemny soliton jest równie użyteczny jak jasny. Jednak niektóre zastosowania, takie jak spektroskopia z pompą-sondą, wymagają jasnych impulsów. Techniki potrzebne do wytworzenia jasnych solitonów z ciemnych będą przedmiotem dalszych prac. Naukowcy badają także sposoby deterministycznego wytwarzania solitonów.

Istotną zaletą tej konstrukcji grzebieniowej pod kątem integracji jest to, że ponieważ światło krąży tylko w jednym kierunku w falowodzie pierścieniowym, naukowcy uważają, że laser jest z natury odporny na sprzężenie zwrotne, które może zakłócać pracę wielu innych laserów. Nie wymagałoby to zatem izolatorów magnetycznych, których często nie można zintegrować z chipami krzemowymi na skalę komercyjną.

Mając na uwadze integrację, badacze chcą rozszerzyć tę technikę poza kwantowe lasery kaskadowe. „Mimo że chip jest naprawdę kompaktowy, kwantowe lasery kaskadowe zazwyczaj wymagają do działania wysokich napięć, więc nie nadają się do umieszczenia elektroniki w chipie” – mówi Piccardo. „Gdyby to zadziałało w innych laserach, takich jak międzypasmowe lasery kaskadowe, moglibyśmy zminiaturyzować całość i rzeczywiście mogłaby być zasilana bateryjnie”.

Fizyk laserowy Petera Delfyetta z University of Central Florida w Orlando uważa, że ​​praca ta daje nadzieję na przyszłe prace. „Ten ciemny impuls w dziedzinie częstotliwości to bank kolorów i chociaż ich czystość widmowa jest całkiem dobra, nie udało się jeszcze osiągnąć ich dokładnego umiejscowienia” – mówi. „Jednak fakt, że mogą tego dokonać – tworząc solitony na chipie za pomocą urządzenia pompowanego elektrycznie – jest w rzeczywistości niezwykle znaczącym postępem. Bez wątpienia."

Badania opisano w Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/