Temni solitoni, opaženi v obročnih polprevodniških laserjih – Svet fizike

V obročnih polprevodniških laserjih so opazili spontano nastajanje temnih solitonov – območij optične ekstinkcije na svetlem ozadju. Opazovanje, ki ga je opravila mednarodna skupina raziskovalcev, bi lahko vodilo do izboljšav v molekularni spektroskopiji in integrirani optoelektroniki.

Frekvenčni glavniki – impulzni laserji, ki oddajajo svetlobo z enakomerno razporejenimi frekvencami – so eden najpomembnejših dosežkov v zgodovini laserske fizike. Včasih jih imenujemo optična ravnila, so osnova časovnih in frekvenčnih standardov in se uporabljajo za definiranje številnih temeljnih količin v znanosti. Vendar pa so tradicionalni frekvenčni glavni laserji zajetni, zapleteni in dragi, strokovnjaki za laserje pa si želijo razviti enostavnejše različice, ki jih je mogoče integrirati v čipe.

Med enim takim poskusom leta 2020 so raziskovalci v Federico CapassoSkupina z Univerze Harvard je po naključju odkrila, da se je kvantni kaskadni obročni laser po začetku zelo turbulentnega režima ustalil na stabilnem frekvenčnem glavniku – čeprav ima samo devet zob – v srednjem infrardečem območju »prstnih odtisov«, ki se pogosto uporablja v molekularna spektroskopija.

Obročni laser ima optično votlino, v kateri je svetloba vodena okoli zaprte zanke, kvantni kaskadni laser pa je polprevodniška naprava, ki oddaja infrardeče sevanje.

Nepričakovani rezultati

»Vsi ti zanimivi rezultati so prišli iz krmilne naprave – nismo pričakovali, da se bo to zgodilo,« pravi Harvard Marco Piccardo. Po mesecih praskanja po glavi so raziskovalci ugotovili, da je učinek mogoče razumeti v smislu nestabilnosti v nelinearni diferencialni enačbi, ki opisuje sistem – kompleksni Ginzberg-Landauovi enačbi.

V novem delu so se Capasso in njegovi sodelavci združili z raziskovalci v Benedikt Schwarzskupine na Dunajski tehniški univerzi. Avstrijska ekipa je razvila več modelov za frekvenčne glavnike, ki temeljijo na kvantnih kaskadnih laserjih. Raziskovalci so integrirali valovodni spojnik v isti čip. To omogoča veliko lažje pridobivanje svetlobe in doseganje večje izhodne moči. Znanstvenikom omogoča tudi uravnavanje izgub pri spajanju, s čimer potiska laser med njegovim frekvenčnim glavnikom in režimom, kjer bi moral delovati kot laser z neprekinjenimi valovi, ki neprekinjeno oddaja sevanje.

V režimu »neprekinjenega vala« pa se zgodi nekaj še bolj čudnega. Včasih, ko je laser vklopljen, se obnaša preprosto kot laser z neprekinjenimi valovi, vendar lahko izklop in vklop laserja povzroči, da se naključno pojavi eden ali več temnih solitonov.

Solitoni so nelinearni, nedisperzivni, samoojačujoči se valovni paketi sevanja, ki se lahko neomejeno širijo skozi vesolje in prehajajo drug skozi drugega dejansko nespremenjeni. Prvič so jih opazili leta 1834 v vodnih valovih, kasneje pa so jih opazili v številnih drugih fizičnih sistemih, vključno z optiko.

Solitoni v majhnih vrzelih

Presenetljivo pri tem najnovejšem opazovanju je, da so solitoni videti kot majhne vrzeli v neprekinjeni laserski svetlobi. Ta na videz majhna sprememba v laserski emisiji povzroči izjemno spremembo njegovega frekvenčnega spektra.

"Ko govorite o laserju z zveznimi valovi, to pomeni, da imate v spektralni domeni en sam monokromatski vrh," pojasnjuje Piccardo. »Ta padec pomeni ves svet ... Ti dve sliki sta povezani z načelom negotovosti, tako da ko imate nekaj zelo, zelo ozkega v prostoru ali času, to pomeni, da imate v spektralni domeni veliko, veliko načinov in veliko, veliko načinov pomeni, da lahko izvajate spektroskopijo in opazujete molekule, ki oddajajo v zelo, zelo širokem spektralnem območju.«

Temne solitone so občasno že videli, vendar nikoli v majhnem, električno vbrizganem laserju, kot je ta. Piccardo pravi, da je spektralno gledano temni soliton enako uporaben kot svetel. Nekatere aplikacije, kot je spektroskopija s sondo s črpalko, pa zahtevajo svetle impulze. Tehnike, potrebne za izdelavo svetlih solitonov iz temnih, bodo predmet nadaljnjega dela. Raziskovalci preučujejo tudi, kako deterministično proizvesti solitone.

Bistvena prednost tega dizajna glavnika za integracijo je, da ker svetloba kroži v samo eni smeri v obročnem valovodu, raziskovalci verjamejo, da je laser sam po sebi imun na povratne informacije, ki lahko motijo ​​številne druge laserje. Zato ne bi potreboval magnetnih izolatorjev, ki jih je pogosto nemogoče integrirati v silicijeve čipe v komercialnem obsegu.

Z integracijo v mislih želijo raziskovalci razširiti tehniko onkraj kvantnih kaskadnih laserjev. »Kljub temu, da je čip res kompakten, kvantni kaskadni laserji običajno zahtevajo visoke napetosti za delovanje, zato v resnici niso način za namestitev elektronike na čip,« pravi Piccardo. "Če bi to lahko delovalo v drugih laserjih, kot so medpasovni kaskadni laserji, potem bi lahko miniaturizirali celotno stvar in res bi lahko delovali na baterije."

Laserski fizik Peter Delfyett z Univerze Centralne Floride v Orlandu meni, da delo obeta prihodnje delo. "Ta temni impulz v frekvenčni domeni je banka barv in čeprav je njihova spektralna čistost precej dobra, njihovo natančno pozicioniranje še ni bilo doseženo," pravi. »Vendar pa je dejstvo, da lahko to storijo – izdelava solitonov na čipu z napravo z električnim črpanjem – v resnici izjemno pomemben napredek. Brez dvoma."

Raziskava je opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/