PCF-baserede parallelle reaktorer afslører kollektive stof-lette analogier af solitonmolekyler

Optiske solitons er ikke-lineære optiske bølgepakker, der kan bevare deres profil under udbredelse, selv ved tilstedeværelse af moderate forstyrrelser. De tilbyder nyttige applikationer inden for optisk kommunikation, al-optisk informationsbehandling og ultrahurtige laserteknikker.

Interaktionerne mellem optiske solitoner udviser mange partikellignende egenskaber, og er blevet undersøgt i vid udstrækning i årtier. De bundne tilstande for optiske solitoner i ikke-lineære dissipative systemer har vist sig at manifestere unikke stof-lys-analogier og er epitomiseret af "soliton-molekylerne"-kompakte multi-soliton-strukturer, der formerer sig som invariante enkelte enheder.

Dynamikken i solitonmolekyler har tiltrukket stor interesse, især syntesen og dissociationen af ​​solitonmolekyler, der minder om kemiske reaktioner. Imidlertid, undersøgelsen af ​​solitonmolekyler var hovedsagelig baseret på ukontrollerede tilfældige excitationer, og har længe plateauet på enkeltobjektniveau, uden at undersøge de stokastiske og statistiske egenskaber, der involverer et stort antal solitoner, gør det vanskeligt at udføre et højere niveau af multi-soliton dynamik.

I et nyt papir udgivet i Let videnskab og applikation , et hold forskere, ledet af Dr. Wenbin He og Dr. Meng Pang i prof. Philip Russells afdeling ved Max Planck Institute for Science of Light har udviklet en unik platform, "parallelle optiske solitonreaktorer", som kan være vært for massivt dynamiske begivenheder af solitonmolekyler.

Sådanne parallelle reaktorer, ligner kemiske reaktorer, kan isolere og være vært for flere solitons, og derefter manipulere deres interaktioner gennem forskellige altoptiske metoder. Når hundredvis af sådanne parallelle reaktorer drives samtidigt med omhyggeligt forberedte indledende tilstande og kontrolteknikker, on-demand syntese og dissociationer af solitonmolekyler kan initieres i massivt antal, udfolder et nyt panorama over multi-soliton dynamik, der er stokastisk i naturen.

I øvrigt, statistiske regler kan udledes af de massivt parallelle reaktioner, regler, der meget ligner klassisk kemisk kinetik, fremme den konventionelle stof-lys-analogi til et kollektivt niveau. Disse resultater bringer en højere indsigt i soliton-dynamik, der kan gavne både grundforskning og praktiske anvendelser.

De parallelle optiske soliton-reaktorer er baseret på et unikt optomekanisk gitter, der er skabt ved hjælp af en optoakustisk mode-låst fiberlaser. Nøglekomponenten er faktisk kun et kort stykke fotonisk krystalfiber (PCF)-en speciel mikrostruktureret optisk fiber, der har en mikrokerne omgivet af en række hule kanaler.

"Optoakustisk mode-låste fiberlasere baseret på mikrokerne-PCF'er, "forklarer forskerne, "som er udviklet i vores laboratorium i mange år, gøre brug af de forbedrede optoakustiske interaktioner i mikrokernen PCF. Når den indsættes i en konventionel mode-låst fiberlaser, PCF giver en akustisk resonans, typisk ved GHz -hastighed, hvorigennem det meterlange fiberhulrum effektivt kan opdeles i hundredvis af tidslukninger, hver svarer til en akustisk vibrationscyklus, fører til dannelsen af ​​et optomekanisk gitter. Hvert tidsrum, eller 'gittercelle' kan være vært for flere solitons, der er isoleret fra andre tidslukker og kan manipuleres, fungerer som mange parallelle reaktorer, hvor reaktanterne er optiske solitoner i stedet for virkelige atomer og molekyler. "

"Det største gennembrud for dette arbejde er on-demand-kontrol af soliton-interaktionerne i hver parallelreaktor, der er vært for det optomekaniske gitter. Vi kategoriserede metoderne i to typer. Den ene var afhængig af laserhulrumsforstyrrelser, der påvirker alle reaktorer samtidigt, som kaldes 'global kontrol'. Den anden anvender eksterne adresseringsimpulser til inducerede forstyrrelser på udvalgte reaktorer uden at påvirke de andre, som kaldes 'individuel kontrol'. Fase-ukorrelerede langtrækkende soliton-interaktioner spiller en vigtig rolle i sådan kontrolleret interaktion. Den kontrollerede syntese og dissociation af solitonmolekyler er faktisk muliggjort ved omhyggelig skræddersyning af de langtrækkende soliton-interaktioner. "

"Ved omhyggelig justering af laserhulrummet, vi har med succes igangsat hundredvis af soliton-molekylsyntese/dissociationshændelser parallelt. Vi anvendte den dispersive Fourier transform (DFT) metode til at fange den forbigående multi-soliton dynamik i hver reaktor. Ved at analysere disse massivt parallelle begivenheder registreret i eksperimentet, som ikke er tilgængelige i tidligere undersøgelser, vi har afsløret mange funktioner i multi-soliton dynamik, herunder et par statistiske regler, der efterligner klassisk kemisk kinetik, tyder på en analog-lig-analogi på kollektivt niveau. "

"Den præsenterede teknik tilbød en række nye muligheder for at studere optiske solitons. Mange fænomener vedrørende soliton-dynamik kan muligvis undersøges igen ved hjælp af en sådan parallelreaktorordning for at få et kollektivt niveau indsigt. De forskellige kontrolteknikker, især de individuelle kontrolmetoder, der muliggjorde selektiv redigering af multi-soliton-tilstande, kan potentielt være nyttig i optisk informationsteknologi, der bruger solitons som bitbærere. Vi forventer også, at begrebet parallelle reaktorer realiseres på andre platforme, f.eks. ved hjælp af en massiv vifte af mikro-resonatorer. "forudsiger forskerne.