Международная группа исследователей под руководством Федерико Капассо, Роберта Л. Уоллес, профессор прикладной физики и Винтон Хейс, старший научный сотрудник в области электротехники в Гарварде Джон А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS) использовала турбулентность света для создания особого типа высокоточного лазера, известного как гребенка частоты лазера, в системе, ранее считавшейся неспособной производить такой лазер. Открытие может быть использовано в устройствах нового поколения для таких приложений, как оптическая спектроскопия и зондирование.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Частотные гребенки – широко используемые инструменты для обнаружения и измерения различных частот света с уникальной точностью. В отличие от обычных лазеров, которые излучают одну частоту, эти лазеры излучают несколько частот синхронно, равномерно распределенных, чтобы напоминать зубцы гребешка.
Сегодня они используются во всем: от мониторинга окружающей среды и химического зондирования до поиска экзопланет, оптической связи и высокоточной метрологии и измерения времени.
Капассо и его команда в SEAS работали над тем, чтобы сделать эти устройства более эффективными и компактными для приложений, включая телекоммуникации и портативные датчики.
В 2019 году Капассо и его команда придумали, как передавать беспроводные сигналы от лазерных частотных гребенок, создав первый лазерный радиопередатчик.
Исследователи использовали полупроводниковые квантовые каскадные лазеры в форме очень маленьких стержней Kit Kat, которые генерировали частотные гребенки, отражая свет от конца к концу. Этот отраженный свет создавал встречные волны, которые взаимодействуют друг с другом, генерируя различные частоты гребенки.
Однако эти устройства по-прежнему излучали много света, который не использовался в приложениях радиосвязи.
«В ходе этого исследования наш главный вопрос заключался в том, как сделать лучшую геометрию для лазерных радиоприемников», – сказал Марко Пиккардо, бывший научный сотрудник SEAS и первый автор статьи.
Пиккардо в настоящее время работает исследователем в Istituto Italiano di Tecnologia в Милане.
Исследователи обратились к кольцевым квантово-каскадным лазерам, которые благодаря своей круглой форме могут генерировать лазер с очень низкими оптическими потерями. Однако кольцевые лазеры сталкиваются с фундаментальной проблемой, когда дело доходит до генерации частотных гребенок: световые лучи, движущиеся по идеальному кругу, распространяются только в одном направлении, по часовой стрелке или против часовой стрелки, и поэтому не могут генерировать встречные волны, необходимые для формирования гребень. Чтобы решить эту проблему, исследователи ввели небольшие дефекты в кольца и сравнили результаты с группой бездефектных колец.
Но когда исследователи провели эксперимент, результаты застали всех врасплох.
Совершенные кольца, которые, как утверждали предыдущие теории физики, не могли генерировать частотную гребенку, генерировали частотные гребенки.
«Когда мы это увидели, мы подумали, что это здорово для нас, потому что это именно тот свет, который мы ищем, только мы не ожидали найти его в этом конкретном эксперименте. Успех, казалось, противоречил современной теории лазеров ", – сказал Бенедикт Шварц, исследователь Венского технического университета в Вене и соавтор исследования.
Исследователи попытались объяснить, как могло произойти такое явление, и в конце концов натолкнулись на турбулентность. В жидкостях турбулентность возникает, когда упорядоченный поток жидкости разбивается на все более мелкие вихри, которые взаимодействуют друг с другом до тех пор, пока система в конечном итоге не превратится в хаос.
В свете это принимает форму волновой нестабильности, при которой небольшое возмущение становится все больше и больше и в конечном итоге доминирует в динамике системы.
Исследователи выяснили, что небольшие колебания тока, используемого для накачки лазера, вызывают небольшую нестабильность световых волн даже в идеальном кольцевом лазере.
Эти нестабильности росли и взаимодействовали друг с другом, как в турбулентной жидкости. Эти взаимодействия затем вызвали стабильную частотную гребенку.
«Мы не просто изменили геометрию лазерных частотных гребенок, мы открыли совершенно новую систему для создания этих устройств, и тем самым изменили фундаментальный закон лазеров», – сказал Пиккардо.
В будущем эти устройства могут быть использованы в качестве микрорезонаторов с электрической накачкой на интегральных фотонных схемах.
Сегодняшние микрорезонаторы в масштабе микросхемы пассивны, а это означает, что энергия должна подаваться оптически извне, что увеличивает размер и сложность системы. Но частотная гребенка кольцевого лазера активна, то есть она может генерировать собственный свет, просто подавая в нее электрический ток.
Он также обеспечивает доступ к областям электромагнитного спектра, не покрытым микрорезонаторами. Это может быть полезно в ряде приложений, таких как оптическая спектроскопия и химическое зондирование.
«Это первый очень важный шаг в соединении пассивных микрорезонаторов с активными частотными гребенками», – сказал Капассо. "Сочетание преимуществ этих двух устройств может иметь важные фундаментальные и технологические последствия."
Соавторами этого исследования являются Дмитрий Казаков, Максимилиан Байзер, Никола Опачак, Йонгруи Ван, Шантану Джа, Йоханнес Хиллбранд, Мишель Таманьоне, Вей Тинг Чен, Александр Ю. Чжу, Лоренцо Л. Коломбо и Алексей Белянин.
Он был поддержан Национальным научным фондом премии №. CCSS-1807323