Rekordstort, flydende laserresonator

Fysisk gennemgang X for nylig rapporteret om en ny optisk resonator fra Technion - Israel Institute of Technology, der er uden fortilfælde inden for resonansforbedring. Udviklet af kandidatstuderende Jacob Kher-Alden under vejledning af professor Tal Carmon, den Technion-fødte resonator har rekordstore muligheder inden for resonansforbedring.

En resonator er en enhed, der fanger bølger og forstærker eller ekko dem ved at reflektere dem fra væg til væg i en proces kaldet resonansforstærkning. I dag, der er komplekse og sofistikerede resonatorer af forskellig art over hele verden, samt enkle resonatorer, som vi alle kender. Eksempler på dette inkluderer resonatorboksen på en guitar, som forbedrer lyden fra strengene, eller fløjtens krop, som forbedrer lyden, der skabes i instrumentets mundstykke.

Guitaren og fløjten er akustiske resonatorer, hvor lyden genlyder mellem resonatorens vægge. I fysikken, der er også optiske resonatorer, såsom i laserenheder. En resonator er, faktisk, en af ​​de vigtigste apparater inden for optik:"Det er optikken transistor, "sagde prof. Carmon.

Generelt sagt, resonatorer har brug for mindst to spejle for at formere reflekteret lys (ligesom i frisørsalonen). Men de kan også rumme mere end to spejle. For eksempel, tre spejle kan bruges til at reflektere lyset i en trekantet form, fire i en firkant, og så videre. Det er også muligt at arrangere en masse spejle i en næsten cirkulær form, så lyset cirkulerer. Jo flere spejle i ringen, jo tættere strukturen bliver den for en perfekt cirkel.

Men dette er ikke slutningen på historien, som ringen begrænser lysets bevægelse til et enkelt plan. Løsningen er en sfærisk struktur, som tillader lys at rotere på alle planer, der passerer gennem midten af ​​cirklen, uanset deres hældning. Med andre ord, i tredimensionelt rum.

I bevægelsen fra fysik til teknik, spørgsmålet opstår om, hvordan man producerer en resonator så tæt som muligt på en kugle, der er ren, glat, og giver det maksimale antal rotationer for optimal resonans. Det er en udfordring, der har engageret mange forskergrupper og har givet, blandt andre, en lille glasresonator i form af enten en kugle eller ring, som holdes ved siden af ​​en smal optisk fiber. Et eksempel på dette blev præsenteret af Prof. Carmon for to år siden i Natur .

Her, der var stadig plads til forbedringer, da selv stammen, der holder kuglen, skaber en forvrængning i sin sfæriske form. Derfor, ønsket blev født til at producere en flydende resonator - en resonator, der ikke blev holdt af nogen materiel genstand.

Verdens første mikro-resonator blev demonstreret i 1970'erne af Arthur Ashkin, vinder af Nobelprisen i fysik 2018, der præsenterede en flydende resonator. På trods af præstationen, forskningsretningen blev snart opgivet. Nu, inspireret af Ashkins banebrydende arbejde, den nye flydende resonator udviser en resonant forbedring med 10, 000, 000 cirkulationer af lys, sammenlignet med omkring 300 cirkulationer i Ashkins resonator.

Den svævende resonator

I en resonator lavet af spejl, der reflekterer 99,9999% af lyset, lyset vil rotere omkring en million omdrejninger eller "rundrejser". Ifølge professor Carmon, "Hvis vi tager lys, der har en effekt på en watt, ligner lyset fra blitzen på en mobiltelefon, og vi lader den rotere frem og tilbage mellem disse spejle, lysstyrken forstærkes til omkring en million watt - strømmen er lig med elforbruget i et stort kvarter i Haifa, Israel. Vi kan bruge det høje lysudbytte, for eksempel, at stimulere forskellige lys-stof-interaktioner i regionen mellem spejlene. "

Faktisk, en million watt består af den samme enkeltpartikel af lys, der bevæger sig frem og tilbage gennem stof, men sagen "ved" ikke, at det er den samme lyspartikel, der gentagne gange bevæger sig gennem stoffet, da fotoner ikke kan skelnes. Det "mærker" kun den store kraft. I en enhed af denne type er det også vigtigt, at million watt passerer gennem et lille tværsnitsareal. Ja, enheden udviklet af Kher-Alden leder lys i 10 millioner cirkulære ture, hvor lyset er fokuseret på et stråleområde 10, 000 gange mindre end et hårs tværsnitsareal. Ved at gøre dette, Kher-Alden har opnået en verdensrekord i resonansforbedring af lys.

Resonatoren udviklet af Technion-forskere er lavet af en lille dråbe meget gennemsigtig olie med en diameter på cirka 20 mikron-en fjerdedel af tykkelsen af ​​en hårstreng. Ved hjælp af en teknik kaldet 'optisk pincet, 'dråben holdes i luften ved hjælp af lys. Denne teknik bruges til at holde dråben i luften uden materialeunderstøttelse - hvilket kan ødelægge dens sfæriske form eller tilsmudse dråben. Ifølge professor Carmon, "Denne geniale optiske opfindelse, den optiske pincet, bruges meget inden for biovidenskab, kemi, mikro-flow-enheder og mere, og det er netop de optiske forskere, der næsten ikke bruger det - lidt som skomageren, der går barfodet. I denne undersøgelse, vi viser, at optisk tang har et enormt potentiale inden for optisk teknik. Det er muligt, for eksempel, at bygge et optisk kredsløb ved hjælp af flere optiske pincet, der holder mange resonatorer og styrer resonatorernes position og deres form efter behov. "

Dråbens små dimensioner forbedrer også sfærisk integritet, fordi tyngdekraften næppe fordrejer det, da den er marginal i disse dimensioner i forhold til overfladespændingskræfterne ved væskegrænsefladen, som giver den en sfærisk form. I det unikke system udviklet af Technion -forskere, dråben olie holdes af en laserstråle og modtager lyset fra en anden fiber, som også modtager lyset tilbage, efter at det er passeret gennem resonatoren.

Baseret på lysets egenskaber, der vender tilbage til fiberen, forskere kan vide, hvad der skete inde i faldet. For eksempel, de kan slukke lyset, der kommer ind i resonatoren og undersøge, hvor længe en foton vil overleve i resonatoren, før den falmer. Baseret på disse data og lysets hastighed, de kan beregne antallet af rotationer, fotonet foretager (i gennemsnit) i en dråbe. Resultaterne viser en verdensrekord i lysforstærkning:10, 000, 000 rotationer, der passerer gennem et tværsnitsareal på omkring en mikron i kvadrat, øge lyset 10 millioner gange.