Mørke solitoner oppdaget i ringhalvlederlasere – Physics World

Mørke solitoner oppdaget i ringhalvlederlasere – Physics World

Tidsstempel: 31. januar 2024 8:01

Arkivbilde som viser lys ved forskjellige frekvenser
Mørke og lys: mørke solitoner er laget i en elektrisk injisert laser. (Med tillatelse: iStock/agsandrew)

Mørke solitoner - områder med optisk utryddelse mot lys bakgrunn - har blitt sett spontant dannes i ringhalvlederlasere. Laget av et internasjonalt team av forskere, kan observasjonen føre til forbedringer innen molekylær spektroskopi og integrert optoelektronikk.

Frekvenskammer – pulserende lasere som sender ut lys med like store frekvenser – er en av de viktigste prestasjonene i laserfysikkens historie. Noen ganger referert til som optiske linjaler, er de grunnlaget for tids- og frekvensstandarder og brukes til å definere mange grunnleggende størrelser i vitenskapen. Imidlertid er tradisjonelle frekvenskamlasere klumpete, komplekse og dyre, og lasereksperter er opptatt av å utvikle enklere versjoner som kan integreres i brikker.

Mens de foretok ett slikt forsøk i 2020, har forskere i Federico Capassosin gruppe ved Harvard University oppdaget ved et uhell at, etter først å ha gått inn i et svært turbulent regime, slo en kvantekaskaderinglaser seg ned til en stabil frekvenskam – om enn en med bare ni tenner – i det midt-infrarøde "fingeravtrykk"-området som er mye brukt i molekylær spektroskopi.

En ringlaser har et optisk hulrom der lys ledes rundt en lukket sløyfe og en kvantekaskadelaser er en halvlederenhet som sender ut infrarød stråling.

Uventede resultater

"Alle de interessante resultatene kom fra en kontrollenhet - vi hadde ikke forventet at dette skulle skje," sier Harvard's Marco Piccardo. Etter måneder med hodeskraping, fant forskerne ut at effekten kan forstås i form av en ustabilitet i den ikke-lineære differensialligningen som beskriver systemet – den komplekse Ginzberg–Landau-ligningen.

I det nye arbeidet slo Capasso og kollegene seg sammen med forskere i Benedikt Schwarzsin gruppe ved Vienna University of Technology. Det østerrikske teamet hadde utviklet flere design for frekvenskammer basert på kvantekaskadelasere. Forskerne integrerte en bølgelederkobler i samme brikke. Dette gjør det mye lettere å trekke ut lys og oppnår større utgangseffekt. Det lar også forskerne justere koblingstapene, og skyve laseren mellom frekvens-kam-regimet og regimet der den skal fungere som en kontinuerlig bølgelaser som sender ut stråling kontinuerlig.

I «kontinuerlig bølge»-regimet skjer imidlertid noe enda merkeligere. Noen ganger når laseren er slått på, oppfører den seg ganske enkelt som en kontinuerlig bølgelaser, men å flikke laseren av og på kan føre til at en eller flere mørke solitoner vises tilfeldig.

Solitoner er ikke-lineære, ikke-spredende, selvforsterkende bølgepakker med stråling som kan forplante seg gjennom rommet på ubestemt tid og passere gjennom hverandre i praksis uendret. De ble først observert i 1834 i vannbølger, men har senere blitt sett i en rekke andre fysiske systemer inkludert optikk.

Solitoner i bittesmå hull

Det overraskende med denne siste observasjonen er at solitonene fremstår som små hull i det kontinuerlige laserlyset. Denne tilsynelatende lille endringen i laserutslippet gjør en enorm endring i frekvensspekteret.

"Når du snakker om en kontinuerlig bølgelaser, betyr det at du i det spektrale domenet har en enkelt monokromatisk topp," forklarer Piccardo. "Denne nedgangen betyr hele verden ... Disse to bildene er knyttet til usikkerhetsprinsippet, så når du har noe veldig, veldig smalt i rom eller tid, betyr det at du i det spektrale domenet har mange, mange moduser, og har mange, mange moduser betyr at du kan gjøre spektroskopi og se på molekyler som sender ut over et veldig, veldig stort spektralområde."

Mørke solitoner har noen ganger blitt sett før, men aldri i en liten, elektrisk injisert laser som denne. Piccardo sier at spektralt sett er en mørk soliton like nyttig som en lys. Noen applikasjoner som pumpesondespektroskopi krever imidlertid lyse pulser. Teknikkene som trengs for å produsere lyse solitoner fra mørke, vil være gjenstand for videre arbeid. Forskerne studerer også hvordan man produserer solitoner deterministisk.

En avgjørende fordel med denne kamdesignen for integrering er at ettersom lys sirkulerer i bare én retning i ringbølgelederen, mener forskerne at laseren er iboende immun mot tilbakemeldingene som kan forstyrre mange andre lasere. Det ville derfor ikke kreve magnetiske isolatorer, som ofte er umulige å integrere i silisiumbrikker i kommersiell skala.

Med integrasjon i tankene ønsker forskerne å utvide teknikken utover kvantekaskadelasere. "Til tross for at brikken er veldig kompakt, krever kvantekaskadelasere vanligvis høye spenninger for å fungere, så de er egentlig ikke en måte å sette elektronikken på brikken," sier Piccardo. "Hvis dette kunne fungere i andre lasere som interband-kaskadelasere, så kunne vi miniatyrisere hele greia og det kunne virkelig være batteridrevet."

Laserfysiker Peter Delfyett ved University of Central Florida i Orlando mener arbeidet holder løftet for fremtidig arbeid. "Denne mørke pulsen i frekvensdomenet er en bank av farger, og selv om deres spektrale renhet er ganske god, er deres nøyaktige posisjonering ikke oppnådd - ennå," sier han. "Men det faktum at de kan gjøre dette - å lage solitoner på brikke med en elektrisk pumpet enhet - det er faktisk et ekstremt betydelig fremskritt. Uten tvil."

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden