Lasere + antilasere:Ægteskab åbner døren til udvikling af en enkelt enhed med en enestående række optiske muligheder

At bringe modstridende kræfter sammen ét sted er lige så udfordrende, som du forestiller dig, men forskere inden for optisk videnskab har gjort netop det.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har for første gang skabt en enkelt enhed, der fungerer som både en laser og en anti-laser, og de demonstrerede disse to modsatte funktioner med en frekvens inden for telekommunikationsbåndet.

Deres fund, rapporteret i et papir, der skal offentliggøres mandag, 7. november kl. i journalen Natur fotonik , lægge grunden til at udvikle en ny type integreret enhed med fleksibilitet til at fungere som en laser, en forstærker, en modulator, og en absorber eller detektor.

"I et enkelt optisk hulrum opnåede vi både sammenhængende lysforstærkning og absorption ved den samme frekvens, et modintuitivt fænomen, fordi disse to tilstande grundlæggende modsiger hinanden, "sagde undersøgelsesforsker Xiang Zhang, senior fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Dette er vigtigt for højhastighedsmodulation af lysimpulser i optisk kommunikation."

Omvendt laser

Begrebet anti-lasere, eller kohærent perfekt absorber (CPA), fremkom i de senere år som noget, der vender, hvad en laser gør. I stedet for stærkt at forstærke en lysstråle, en antilaser kan fuldstændigt absorbere indkommende kohærente lysstråler.

Mens lasere allerede er allestedsnærværende i det moderne liv, ansøgninger om anti-lasere-først demonstreret for fem år siden af ​​forskere fra Yale University-bliver stadig undersøgt. Fordi antilasere kan opfange svage sammenhængende signaler midt i en "larmende" usammenhængende baggrund, det kan bruges som en ekstremt følsom kemisk eller biologisk detektor.

En enhed, der kan inkorporere begge funktioner, kan blive en værdifuld byggesten til konstruktion af fotoniske integrerede kredsløb, sagde forskerne.

"On-demand-kontrol af lys fra kohærent absorption til kohærent forstærkning var aldrig forestillet før, og det er stadig meget eftertragtet i det videnskabelige samfund, "sagde studieforfatter Zi Jing Wong, en postdoktor i Zhangs laboratorium. "Denne enhed kan muligvis muliggøre en meget stor kontrast i modulering uden teoretiske grænser."

Forskerne brugte sofistikeret nanofabrikationsteknologi til at bygge 824 gentagne par gevinst- og tabsmaterialer til at danne enheden, som målte 200 mikrometer lang og 1,5 mikrometer bred. En enkelt hårstrå, til sammenligning, er omkring 100 mikrometer i diameter.

Forstærkningsmediet blev fremstillet af indiumgalliumarsenidphosphid, et velkendt materiale, der bruges som forstærker i optisk kommunikation. Chrom parret med germanium dannede tabsmediet. Gentagelse af mønsteret skabte et resonanssystem, hvor lyset hopper frem og tilbage i hele enheden for at opbygge forstærkning eller absorptionsstørrelse.

Hvis man skal sende lys gennem et sådant system til gentagelse af tab med gevinst-tab, et uddannet gæt er, at lys vil opleve lige store mængder af forstærkning og absorption, og lyset vil ikke ændre sig i intensitet. Imidlertid, dette er ikke tilfældet, hvis systemet opfylder betingelser for paritetstidssymmetri, hvilket er nøglekravet i enhedsdesignet.

Balance og symmetri

Paritetstid-symmetri er et begreb, der udvikler sig fra kvantemekanik. I en paritetsoperation, positionerne vendes, såsom at venstre hånd bliver den højre hånd, eller omvendt.

Tilføj nu tidsomvendelsesoperationen, hvilket ligner at spole en video tilbage og observere handlingen baglæns. Den tidsomvendte handling af en ballonopblæsning, for eksempel, ville være den samme ballon tømme. I optik, den tidsomvendte modstykke til et forstærkende forstærkningsmedium er et absorberende tabsmedium.

Et system, der vender tilbage til sin oprindelige konfiguration ved udførelse af både paritet og tidsomvendt handling siges at opfylde betingelsen for paritet-tid-symmetri.

Kort efter opdagelsen af ​​anti-laser, forskere havde forudsagt, at et system, der udviser paritetstidssymmetri, kunne understøtte både lasere og antilasere med samme frekvens i samme rum. I enheden oprettet af Zhang og hans gruppe, størrelsen af ​​gevinsten og tabet, størrelsen af ​​byggestenene, og bølgelængden af ​​lyset, der bevæger sig igennem, kombineres for at skabe betingelser for paritet-tidssymmetri.

Når systemet er afbalanceret, og gevinsten og tabet er ens, der er ingen netto forstærkning eller absorption af lyset. Men hvis betingelserne forstyrres, så symmetrien brydes, koherent amplifikation og absorption kan observeres.

I forsøgene, to lysstråler af samme intensitet blev rettet ind i modsatte ender af enheden. Forskerne fandt ud af, at ved at tilpasse fasen af ​​en lyskilde, de var i stand til at kontrollere, om lysbølgerne brugte mere tid på at forstærke eller absorbere materialer.

Fremskynde fasen af ​​en lyskilde resulterer i et interferensmønster, der favoriserer forstærkningsmediet og emission af forstærket kohærent lys, eller en lasertilstand. At bremse fasen af ​​en lyskilde har den modsatte effekt, hvilket resulterer i mere tid brugt i tabsmediet og den sammenhængende absorption af lysstrålerne, eller en anti-lasing-tilstand.

Hvis fasen af ​​de to bølgelængder er ens, og de kommer ind i enheden på samme tid, der er hverken forstærkning eller absorption, fordi lyset bruger lige lang tid i hver region.

Forskerne målrettede en bølgelængde på omkring 1, 556 nanometer, som er inden for det bånd, der bruges til optisk telekommunikation.

"Dette arbejde er den første demonstration af afbalanceret gevinst og tab, der strengt opfylder betingelser for paritetstidssymmetri, fører til realisering af samtidig lasning og anti-lasing, "sagde studieforfatter Liang Feng, tidligere postdoktor i Zhang's Lab, og nu adjunkt i elektroteknik ved University of Buffalo. "Den vellykkede opnåelse af både lasning og antilasning inden for en enkelt integreret enhed er et vigtigt skridt i retning af den ultimative grænse for lysstyring."