Исследователи извлекли выгоду из огромного количества энергетического состояния в оптическом поле, чтобы заставить фотоны в их лазерной системе двигаться в согласованном режиме, либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.
Стабильность распространения света важна для получения надежно сильного фотонного сигнала и светового импульса для всех лазерных систем и приложений. Одно только лазерное излучение – это многомиллиардная отрасль с тысячами приложений, от коммуникации до медицины и удаления волос.
Тем не менее, эта согласованность также относится к нынешним и будущим оптическим сенсорным устройствам, будь то детекторы аэрозолей или обнаружители рака.
Лан Ян, Эдвин Х. И Флоренция G. Скиннер, профессор электротехники и системотехники, и ?ахин К. Оздемир, доцент-исследователь Школы инженерии и прикладных наук, вместе с сотрудниками Стефаном Роттером из Венского технологического университета в Австрии и Яном Вирсигом из Университета Отто-фон-Герике в Германии использовали преимущества физического явления, называемого исключительная точка, заставляющая фотоны двигаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, а не в обоих направлениях случайным образом.
Результаты были опубликованы 6 июня в раннем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences.
Исключительная точка возникает в физических полях, когда два комплексных собственных значения и их собственные векторы сливаются или становятся одинаковыми.
Это математические инструменты, описывающие физическую систему. Думайте об исключительной точке как о сложной завораживающей среде, в которой часто происходят непредсказуемые и противоречащие интуиции явления.
Например, в статье в Science в 2014 году Ян и Оздемир описали использование исключительной точки для добавления потерь в лазерную систему, чтобы фактически получить энергию – чтобы получить за счет потерь, если хотите. Этот исключительный момент способствовал появлению ряда нелогичных действий и результатов в недавних физических исследованиях, которые, несомненно, появятся в будущем.
Ян и Оздемир создали исключительную точку в оптическом поле, вставив два кремнеземных рассеивателя или наноразмерных наконечников, которые помогают создать идеальный шторм, который вызывает в воображении исключительную точку. Используя системы нанопозиционирования, Бо Пэн, тогда докторант и один из ведущих авторов научной статьи 2014 года, настроил расстояние между рассеивателями и увеличил их относительный размер в оптическом поле, чтобы вызвать возмущение микрорезонатора и привлечь исключительную точку.
Таким образом, у них есть управляемая система.
«Одним из захватывающих моментов этого исследования является возможность управления лазером по требованию», – сказал Ян. «Изменяя расположение рассеивателя, вы можете изменить режим работы.
Это открывает возможности для новых функциональных устройств на основе лазеров."
«Это открытие еще больше расширяет наши возможности по использованию микролазеров не только за счет увеличения мощности с потерями, как мы добились ранее, но и за счет точного управления направлением генерации сейчас», – сказал Пэн.
Микрорезонатор, который они используют, относится к классу резонаторов режима шепчущей галереи (WGMR), потому что они работают аналогично известной шепчущей галерее в лондонском районе Св.
Павла, где человек с одной стороны купола может услышать сообщение, обращенное к стене человеком с другой стороны. Устройство WGMR делает то же самое со световыми частотами, а не со звуком.
Свет вводится в WGMR и выводится из него через конические волоконно-оптические волноводы с обеих сторон. Нанопозиционеры контролируют рассеиватели, которые исследуют хиральность WGM. В отсутствие рассеивателей, когда свет вводится в WGMR по часовой стрелке или против часовой стрелки: при пропускании появляется резонансный пик, и сигнал не может быть получен при отражении.
«Когда с помощью рассеивателей система доводится до исключительного состояния, ситуация меняется», – сказал Оздемир. "На отражении виден ярко выраженный резонансный пик только для одного из направлений инжекции.
Это асимметричное отражение – отличительная характеристика хиральности, внутреннее свойство моды."
В физической системе может быть несколько исключительных точек.
«Перенос системы в другую исключительную точку приводит к появлению пика отражения только для другого направления нагнетания», – сказал Оздемир.
Ян добавил: «Таким образом, мы можем контролировать хиральность режима, переходя от одной исключительной точки системы к другой."
Затем команда установила связь между асимметричным отражением в исключительных точках и внутренней киральностью мод генерации. Для этого использовали микрорезонатор WGM, легированный эрбием. Эрбий служит своего рода легирующим агентом, который стимулирует лазерную активность на длине волны, отличной от света, используемого для возбуждения генерации.
При отсутствии исключительной точки свет, излучаемый эрбием в резонатор МШГ, может идти одновременно по часовой стрелке и против часовой стрелки. Это делает вывод лазерного излучения из микролазеров WGM неэффективным.
В исключительной точке фотоны будут двигаться согласованным образом либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.
«Теперь у нас есть контроль над хиральностью мод шепчущей галереи и, следовательно, направлением излучения лазера благодаря исключительным точкам», – сказал Ян. "Расположение рассеивателей и размер их меняют режим работы, повышая универсальность техники."
"Мы можем настроить режимы шепчущей галереи на двунаправленный (как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки) микролазер или однонаправленный лазер с излучением по часовой стрелке или против часовой стрелки. Мы можем полностью изменить направление излучения, перейдя из одной исключительной точки системы в другую исключительную точку », – сказал Оздемир.
Результаты предоставляют системам WGMR новые функции, которые будут полезны для лазерной генерации, зондирования, оптомеханики и квантовой электродинамики.
«Выводы команды еще раз доказывают, что при правильной разработке исключительные точки и, таким образом, инженерия потерь и рассеяния, предоставляют оптическим наукам новые приемы для решения проблем, которые препятствуют прогрессу и ограничивают полезность устройств», – сказал Ян.
«Это открытие еще больше расширяет наши возможности по использованию микролазеров не только за счет увеличения мощности с потерями, как мы добились ранее, но и за счет точного контроля направления генерации сейчас», – сказал Пэн.
Исследователи говорят, что их результаты помогут разработать новые технологии для управления световым потоком, проложат путь к хиральной фотонике на кристалле и могут повлиять на научные области помимо оптики. Они уже решили продемонстрировать и использовать другие противоречащие интуиции особенности неэрмитовой фотоники в исключительных случаях.