Brug af let turbulens til at generere frekvenskamme fra små ringlasere

Vi har alle oplevet turbulent luft og vand, men vidste du, at lys også kan være turbulent?

Et internationalt forskerteam, ledet af Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), har udnyttet turbulens i lys for at skabe en bestemt type højpræcisionslaser, kendt som en laserfrekvenskam, i et system, der tidligere var antaget ude af stand til at producere en sådan laser. Opdagelsen kunne bruges i en ny generation af enheder til applikationer såsom optisk spektroskopi og sensing.

Forskningen er publiceret i Natur .

Frekvenskamme er meget udbredte værktøjer til at detektere og måle forskellige lysfrekvenser med unik præcision. I modsætning til konventionelle lasere, som udsender en enkelt frekvens, disse lasere udsender flere frekvenser i låsetrin, jævnt fordelt for at ligne tænderne på en kam. I dag, de bruges i alt fra miljøovervågning og kemisk sansning til søgning efter eksoplaneter, optisk kommunikation og høj præcision metrologi og timing.

Capasso og hans team på SEAS har arbejdet på at gøre disse enheder mere effektive og kompakte til applikationer, herunder telekommunikation og bærbar registrering.

I 2019, Capasso og hans team fandt ud af, hvordan man transmitterer trådløse signaler fra laserfrekvenskamme, at oprette den første laserradiosender. Forskerne brugte halvledende kvantekaskade lasere formet som meget små Kit Kat barer, som genererede frekvenskamme ved at studse lys fra ende til anden. Dette hoppende lys skabte modspredende bølger, der interagerer med hinanden for at generere de forskellige frekvenser af kammen. Imidlertid, disse enheder udsendte stadig meget lys, der ikke var brugt i radiokommunikationsapplikationerne.

"Når jeg går ind i denne forskning, vores hovedspørgsmål var, hvordan kan vi lave en bedre geometri til laserradioer, "sagde Marco Piccardo, en tidligere postdoktor ved SEAS og første forfatter af papiret.

Piccardo er i øjeblikket forsker ved Istituto Italiano di Tecnologia i Milano.

Forskerne vendte sig til at ringe kvantekaskadelasere, hvilken, på grund af deres cirkulære form, kan generere en laser med meget lavt optisk tab. Imidlertid, ringlasere har et grundlæggende problem, når det kommer til at generere frekvenskamme:lysstråler, der rejser i en perfekt cirkel, formerer sig kun i én retning, med eller mod uret, og kan derfor ikke generere de modspredende bølger, der er nødvendige for at danne en kam. For at overvinde dette problem, forskerne introducerede små defekter i ringene og sammenlignede resultaterne med en gruppe fejlfri ringe.

Men da forskerne kørte eksperimentet, resultaterne overraskede alle.

De perfekte ringe, som tidligere fysikkteorier sagde muligvis ikke kunne generere en frekvenskam, genererede frekvenskamme.

"Da vi så det, vi syntes det er godt for os, fordi det er præcis den slags lys, vi leder efter, kun vi forventede ikke at finde det i dette særlige eksperiment. Succesen syntes at modsige den nuværende laserteori, "sagde Benedikt Schwarz, en forsker ved TU Wien i Wien og medforfatter af undersøgelsen.

Forskerne forsøgte at forklare, hvordan et sådant fænomen kunne opstå, og til sidst stødte på turbulens. I væsker, turbulens opstår, når en ordnet væskestrøm bryder ind i stadig mindre hvirvler, der interagerer med hinanden, indtil systemet til sidst bryder i kaos. I lys, dette har form af bølgeinstabilitet, hvor en lille forstyrrelse bliver større og større og til sidst dominerer systemets dynamik.

Forskerne fandt ud af, at små udsving i den strøm, der bruges til at pumpe laseren, forårsagede små ustabilitet i lysbølgerne, selv i en perfekt ringlaser. Disse ustabilitet voksede og interagerede med hinanden, ligesom i en turbulent væske. Disse interaktioner fik derefter en stabil frekvenskam til at forekomme.

"Vi ændrede ikke bare geometrien for laserfrekvenskamme, vi opdagede et helt nyt system til oprettelse af disse enheder, og ved at gøre det, omarbejde en grundlæggende lov om lasere, "sagde Piccardo.

I fremtiden, disse enheder kan bruges som elektrisk pumpede mikroresonatorer på integrerede fotoniske kredsløb. Dagens chip-skala mikroresonatorer er passive, hvilket betyder, at energi skal pumpes optisk udefra, øge systemstørrelsen og kompleksiteten. Men ringlaserfrekvenskammen er aktiv, hvilket betyder, at det kan generere sit eget lys ved blot at injicere elektrisk strøm i det. Det giver også adgang til områder i det elektromagnetiske spektrum, der ikke er dækket af mikroresonatorer. Dette kan være nyttigt i en række applikationer, såsom optisk spektroskopi og kemisk sansning.

"Dette er et første meget vigtigt trin i at forbinde passive mikroresonatorer med aktive frekvenskamme, "sagde Capasso." At kombinere fordelene ved disse to enheder kan have vigtige fundamentale og teknologiske konsekvenser. "