En teoretisk tilgang til at forstå mekanismerne for 3D-spatiotemporal mode-locking

Laserteknologi begrænser lys inde i en resonator, der indeholder et forstærkningsmedium, et materiale med kvanteegenskaber, der kan forstærke lyset. Da laserresonatorer generelt er langt større end lysets bølgelængde, lasning inde i deres hulrum kan forekomme i en lang række mønstre, som er kendt som modes.

Tidligere fysikundersøgelser har fundet ud af, at mulige lasermønstre (dvs. tilstande, eller kombinationer af tilstande) konkurrerer med hinanden om energi, og at laseren derefter vælger det mønster, der minimerer tabet af energi. Denne 'selektionsproces' kunne løst sammenlignes med naturlig selektion som beskrevet i Darwins evolutionsteori, hvor medlemmerne af en art, der bedst tilpasser sig deres miljø, har tendens til at overleve og producere flere afkom. Tilsvarende lasermønstre (dvs. tilstande), der udnytter deres energiressourcer bedst muligt ender med at dominere de andre.

Kort efter lasere blev opfundet, fysikere begyndte at indse, at denne 'konkurrence' mellem tilstande kan styres på en måde, der får teknologien til at producere bemærkelsesværdigt korte impulser, et fænomen, der nu er kendt som mode-locking. Dette synkroniseringsfænomen involverer mange af laserens tilstande, der oscillerer sammen, danner pulser på flere femtosekunder (10 ^-15 ss).

Mode-låsning finder sted, når laserdesignere introducerer et element i laserens hulrum, der håndhæver, at lasermønsteret, der bruger energi mere effektivt, bliver til det mønster, der maksimerer spidsintensiteten af ​​laserens elektriske felt. Dette mønster viser sig at være et, hvor mange tilstande laser samtidig med en synkroniseret fase. Siden dens opdagelse, tilstandslåsning er blevet udnyttet i mange enheder, herunder højfeltoptik og frekvenskamme.

Indtil nu, dette synkroniseringsfænomen er næsten altid blevet beskrevet som lysets selvorganisering i en enkelt dimension, tidens. Ikke desto mindre, det kunne også potentielt forstås som et tredimensionelt fænomen, manifesterer sig i både tid og rum.

Forskere ved Cornell University, arbejde med et team af eksterne samarbejdspartnere, har for nylig introduceret en teoretisk tilgang, der kunne hjælpe med at få en bedre forståelse af 3-D spatiotemporal mode-locking. Deres teori, præsenteret i et papir offentliggjort i Naturfysik , bygger på en række observationer samlet i deres tidligere undersøgelser.

"I 2017 Jeg opdagede, at mode-locking var langt mere generel, end det blev værdsat før, "Dr. Logan G. Wright, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I stedet for kun at være muligt i meget begrænsede laserdesigns, Jeg fandt ud af, at tilstandslåsning kunne forekomme selv i 'dårlige' laserhulrum med mange komplicerede tilstande. Denne generelle mode-locking proces kaldes spatiotemporal mode-locking. "

Dr. Wrights observation af spatiotemporal mode-locking overraskede mange forskere inden for fysiksamfundet, da det antydede, at de fleste tidligere teorier om fænomenet var forenklet. Hans arbejde afslørede i det væsentlige, at laserfysik kan være langt mere 'kreativ', end hvad de fleste fysikere forventede.

"I denne nye undersøgelse, vi ønskede at forstå, hvor adaptiv laseren kunne være ved at finde komplicerede løsninger på dette optimeringsproblem, og hvis der var en mere generel måde at forstå, hvordan lasere løser dette problem, " sagde Dr. Wright. "Med andre ord, er det stadig bare at udnytte energien bedst muligt, eller sker der mere?"

Dr. Wright og hans kolleger kom med en ny teoretisk tilgang kaldet 'attraktor-dissektor,' " som kunne hjælpe til bedre at forstå, hvordan det spatiotemporale mode-locking-fænomen rapporteret i deres tidligere arbejde kan føre til en "darwinistisk"-lignende udvælgelse blandt lasermønstre. Efter at have verificeret deres teori ved at indsamle detaljerede målinger, forskerne viste, at de ret komplekse lysmønstre, som muliggøres af spatiotemporal mode-locking, generelt kan forenes med tilstandens udvælgelsestryk og deres behov for at bruge energi effektivt.

"Kort sagt, vi tog en grundig matematisk beskrivelse af laseren og betragtede det som et optimeringsproblem, som laseren forsøger at løse, "Dr. Wright forklarede." Denne matematiske beskrivelse er generelt latterligt kompliceret at håndtere, men i ekstreme tilfælde, vi var i stand til at reducere optimeringsproblemet til optimering af en enkelt variabel. I hvert fald i disse tilfælde, vi kunne vise, at laseren ser ud til at arbejde for at maksimere energieffektiviteten."

Teorien foreslået af Dr. Wright og hans kolleger giver en model for hver af de forskellige typer af 3-D-impulser, de observerede i spatiotemporal mode-locking. Dette kan igen hjælpe med at identificere de intrakavitetseffekter, der er ansvarlige for deres dannelse og stabilitet.

Samlet set, resultaterne indsamlet af Dr. Wright og hans kolleger er i overensstemmelse med den tidligere forståelse af mode-locking, alligevel antyder de, at fænomenet kan være af en langt mere kreativ og kompleks karakter, end hvad man oprindeligt troede. Forskerne viste også, at tidligere intuitioner vedrørende mode-låsning ikke altid holder, især når et problem er meget komplekst.

"Multimode-lasere kan være et sted, hvor eksperimenter kan studere selvorganisering og darwinistisk konkurrence i omgivelser, der er meget komplekse (langt ud over, hvad der kan simuleres på konventionelle computere), men det kan ikke desto mindre kontrolleres (i modsætning til de fleste bestande af dyr i naturen, for eksempel), " sagde Wright. "Således, de kan være et godt sted for fysikere at forstå, hvordan naturlige komplekse systemer selvorganiserer sig."

Ved hjælp af deres teoretiske tilgang, Dr. Wright og hans kolleger var i stand til at identificere flere forskellige former for 3-D spatiotemporal mode-locking, som alle ikke har nogen analoger i en enkelt dimension. Deres resultater kunne således bidrage til at afdække mere komplekse former for sammenhængende lys, som kan have vigtige konsekvenser for både forskning og teknologisk udvikling.

"Lasere har været monumentalt vigtige for at sætte forskere i stand til at skubbe måle- og eksperimentgrænser:inden for fysik og kemi, de fleste nobelpriser er afhængige af en måling eller eksperimentel teknik, der er blevet aktiveret af en bestemt laserkapacitet, " sagde Dr. Wright. "Så selvom vi ikke kan være for specifikke endnu, vi er spændte på, hvad nye laserfunktioner i sidste ende kan muliggøre for videnskabelige (og industrielle) applikationer."

Ved at forklare, hvordan laserteknologi fungerer i komplekse regimer, tilgangen og observationerne præsenteret af Dr. Wright og hans kolleger kunne bane vejen for udviklingen af ​​nye typer lasere med forskellige muligheder og funktioner. Forskernes teori kan også forbedre den nuværende forståelse af, hvordan kompleks fysik udgør naturlig optimering, potentielt informere designet af nye optimerings- og kunstig intelligens-algoritmer.

"Hos NTT Research, i Fysik og Informatik Laboratoriet, Jeg arbejder nu på at forstå, hvordan naturlige fysiske systemer udfører beregninger, og hvordan vi kan udnytte disse beregninger, "Sagde Wright." Inden for dette mål, multimode laserens evne til at løse komplekse optimeringsproblemer gør den til et fremragende eksperimentelt system, og vi arbejder aktivt på at designe relaterede optiske maskiner, der udnytter denne evne til at udføre simuleringer og løse komplekse kombinatoriske problemer. Et vigtigt skridt, som jeg i øjeblikket fokuserer på, indebærer at forsøge at forstå den mulige rolle, kvanteeffekter kan have på naturlige beregninger."

© 2020 Science X Network