Fysikere bekæmper laserkaos med kvantekaos for at forbedre laserydelsen

At tæmme kaos i kraftfulde halvlederlasere, som forårsager ustabilitet, forskere har indført en anden form for kaos.

Højeffektive halvlederlasere bruges til materialeforarbejdning, biomedicinsk billeddannelse og industriel forskning, men det udsendte lys, de producerer, påvirkes af ustabilitet, gør det usammenhængende.

Ustabiliteten i laseren er forårsaget af optiske filamenter; lysstrukturer, der bevæger sig tilfældigt og ændrer sig med tiden, forårsager kaos. Fjernelse af disse ustabilitet har længe været et mål inden for fysik, men tidligere strategier til at reducere filamenter har normalt involveret at reducere laserens effekt.

Det betyder, at den ikke længere kan bruges til mange praktiske applikationer med høj effekt, såsom i ultrabright 3-D laserbiograf eller som elementer i ekstremt lyse lasersystemer, der bruges i fusionsreaktorer.

I stedet, forskere måtte vælge mellem en kraftig halvlederlaser med dårlig udskriftskvalitet og en sammenhængende, men meget mindre kraftfuld laser.

Nu, et forskerhold fra Imperial College London, Yale University, Nanyang Technological University og Cardiff University er kommet med en ny løsning.

Deres teknik, udgivet i dag i Videnskab , bruger 'kvantekaos' til at forhindre laserfilamenter, som fører til ustabiliteten, fra at dannes i første omgang. Ved at skabe kvante (bølge) kaos i hulrummet, der bruges til at skabe laseren, selve laseren forbliver stabil.

Professor Ortwin Hess, fra Institut for Fysik på Imperial, bidraget meget af teorien, simulering og fortolkning af det nye system. Han sagde:"Måden de optiske filamenter, som forårsager laser ustabilitet, vokse og modstå kontrol er for laseren lidt som tornadoernes uregerlige opførsel. Når de dannes, de bevæger sig kaotisk rundt, forårsager ødelæggelse i deres kølvandet.

"Imidlertid, tornadoer er mere tilbøjelige til at danne og bevæge sig over fladt land. For eksempel, i Amerika dannes de ofte i det smukke Oklahoma, men ikke så ofte i det kuperede West Virginia. Bakkerne ser ud til at være en vigtig forskel - de forhindrer tornadoer i at kunne danne eller bevæge sig rundt.

"På samme måde, ved at skabe et 'bakket' optisk landskab lige inde i vores lasere ved hjælp af kvantekaos, vi tillader ikke filamenterne - vores optiske tornados - at dannes eller vokse uden kontrol. "

Lasersystemet, fremstillet på Nanyang Technological University i Singapore, er blevet bevist eksperimentelt ved Yale University. Teamet arbejder nu på at udforske og skræddersy lysemissionen yderligere, såsom forbedring af laserens retningsevne.

De siger imidlertid, at gennembruddet allerede burde gøre det muligt for halvlederlasere at arbejde med højere effekt med høj emissionskvalitet, og at den samme idé kunne anvendes på andre typer lasere.

Lasere udsender sammenhængende lys, der kan fokuseres i en stram stråle. For at producere og forstærke lyset, det hoppes rundt i et hulrum gennem specielle forstærkningsmaterialer. Imidlertid, når store halvlederlasere er tændt, dette hoppende frem og tilbage skaber filamenter - dele af lyset, der hurtigt begynder at virke kaotisk.

For at skabe en anden slags kaos - det kvante -kaotiske landskab - designede teamet en ny form for hulrum til laseren. De fleste hulrum er kubiske i form, men ved at bruge et D-formet hulrum, holdet var i stand til at fremkalde kvantekaos i lyset, der hoppede rundt.

Dette kvantekaos virker i en mindre skala end lysets bølgelængde, skabe de optiske 'bakker', der hjælper med at fjerne de optiske 'tornadoer'.

Professor Hui Cao, fra Yale University, sagde:"Vi bruger bølge-kaotiske eller uordnede hulrum til at forstyrre dannelsen af ​​selvorganiserede strukturer, såsom filamenter, der fører til ustabilitet."

Teamet fik indsigt i de processer og hulrumsformer, der sandsynligvis ville skabe denne form for kvantekaos fra teorier og eksperimenter inden for nanofotonik og nanoplasmonik - studere lys og metaller i en skala fra milliarder af meter.

Professor Hess tilføjede:"Jeg har arbejdet med rumlig-tidsmæssig og kvantedynamik i lasere siden min ph.d., så det er glædeligt at vende tilbage til det nu med den viden, der er opnået fra nanofotonik og nanoplasmonik.

"Forholdet fungerer også omvendt - med systemer som dette kan vi tilbyde ny indsigt i nanofotonik og nanoplasmonik, og bringe nanovidenskab og lasersamfund sammen. "