До сих пор эти малоизвестные источники света в основном использовались в лаборатории, потому что их установка не оставляет места для ошибок – даже незначительное толчок может вывести один из строя. Однако, следуя парадоксальному решению, исследователи, возможно, нашли решение этой слабости, которое могло бы привести к меньшим, более дешевым и более эффективным источникам световых импульсов.
Их работа, опубликованная в феврале. 1 в Physical Review Letters демонстрирует новый способ получения фемтосекундных импульсов – импульсов, измеряемых квадриллионными долями секунды – в желаемых диапазонах длин волн с использованием этого источника света. Технология потенциально может привести к лучшему обнаружению загрязнителей и заболеваний, просто сканируя воздух или чье-то дыхание.
Парадоксальное нововведение
Источник света, изучаемый этими исследователями, состоит из начального этапа, на котором импульсы света от традиционного лазера проходят через специальный кристалл и преобразуются в диапазон длин волн, который трудно получить с помощью обычных лазеров. Затем серия зеркал отражает световые импульсы по петле обратной связи.
Когда этот контур обратной связи синхронизируется с входящими лазерными импульсами, вновь преобразованные импульсы объединяются, чтобы сформировать более сильный выходной сигнал.
Традиционно люди не могли преобразовать большую часть начальных световых импульсов в желаемый выходной сигнал с помощью такого устройства. Но чтобы быть эффективными в реальных приложениях, группе пришлось увеличить этот процент.
«Нам требовалась более высокая эффективность преобразования, чтобы доказать, что это источник, достойный изучения», – сказал Алиреза Маранди, сотрудник лаборатории Гинзтона. "Итак, мы просто сказали:" Хорошо, какие ручки у нас есть в лаборатории? "?«Мы сделали зеркало, в котором зеркала отражали меньше света, что противоречило стандартным рекомендациям, а эффективность преобразования увеличилась вдвое."Исследователи опубликовали свои первые экспериментальные результаты два года назад в Optica.
Повышение мощности в обычной конструкции обычно приводит к двум нежелательным результатам: удлиняются импульсы и снижается эффективность преобразования. Но в новом дизайне, где исследователи значительно снизили отражательную способность своих зеркал, произошло обратное.
«Мы думали об этом режиме, основываясь на стандартных принципах проектирования, но поведение, которое мы наблюдали в лаборатории, было другим», – сказал Марк Янковски, ведущий автор статьи и аспирант лаборатории Гинзтона. "Мы наблюдали улучшение производительности, и мы не могли этого объяснить."
После большего количества симуляций и лабораторных экспериментов группа обнаружила, что главное не только в том, чтобы сделать зеркала менее отражающими, но и в удлинении петли обратной связи. Это увеличивало время, необходимое для световых импульсов, чтобы завершить цикл, и должно было слишком их замедлить. Но более низкая отражательная способность в сочетании с временной задержкой вызвала неожиданное взаимодействие между импульсами, что вернуло их к синхронизации с входящими партнерами.
Эта непредвиденная синхронизация более чем удвоила пропускную способность выходного сигнала, что означает, что он может излучать более широкий диапазон длин волн в диапазоне, который трудно получить с помощью обычных лазеров. Для таких приложений, как обнаружение молекул в воздухе или дыхании человека, источники света с большей полосой пропускания могут разрешать более отдельные молекулы. В принципе, импульсы, которые производит эта система, могут быть сжаты до 18 фемтосекунд, что может быть использовано для изучения поведения молекул.
Решение снизить коэффициент отражения зеркала привело к удивительным последствиям: ранее прихотливое устройство стало более надежным, более эффективным и способным лучше генерировать ультракороткие световые импульсы в диапазонах длин волн, которые труднодоступны для традиционных лазеров.
Выход из лаборатории
Следующая задача – разработать устройство, которое поместится на ладони.
«Вы разговариваете с людьми, которые работали с этой технологией в течение последних 50 лет, и они очень скептически относятся к ее практическим применениям, потому что они думают об этих резонаторах как об очень тонкой конструкции, которую трудно согласовать и которая требует много ремонт ", – сказал Маранди, который также является соавтором статьи. «Но в этом режиме работы эти требования очень мягкие, а источник сверхнадежный и не требует тщательного ухода, требуемого стандартными системами."
Эта новообретенная гибкость конструкции упрощает миниатюризацию таких систем на кристалле, что может привести к появлению множества новых приложений для обнаружения молекул и дистанционного зондирования.
«Иногда вы полностью меняете свое понимание систем, которые, как вы думаете, знаете, – сказал Янковски. "Это меняет то, как вы с ними взаимодействуете, как вы их создаете, как вы их разрабатываете и насколько они полезны.
Мы работали над этими источниками в течение многих лет, и теперь у нас есть некоторые подсказки, которые действительно помогут вывести их из лаборатории в мир."
Дополнительными соавторами этой статьи в Стэнфорде являются Райан Хамерли, Роберт Байер и Мартин М. Фейер. Остальные соавторы – C.р.
Филипс из ETH Zurich в Швейцарии и Кирк А. Ингольд из U.S. Военная академия в Вест-Пойнте.
Это исследование финансировалось U.S. Министерство обороны и Национальный научный фонд.