Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego i Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie zademonstrowali nowy sposób synchronizacji przestrzennie rozdzielonych laserów, które mogą działać jak jedno spójne źródło światła – bez ekstremalnych warunków i skomplikowanych materiałów.
Zespół fizyków z Uniwersytetu w Southampton (Wielka Brytania), Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, Institut Pascal, Université Clermont Auvergne i CNRS (Francja) oraz CNR (Włochy) opracował nową klasę przestrajalnych urządzeń fotonicznych, w których wiele niewielkich wiązek laserowych spontanicznie synchronizuje się i zachowuje jak jedno, przestrzennie rozciągłe oraz koherentne źródło światła. Co szczególnie istotne, efekt ten uzyskano w temperaturze pokojowej w prostym układzie opartym na ciekłych kryształach i organicznych barwnikach laserowych, otwierając nowe możliwości dla tanich i rekonfigurowalnych technologii optycznych.
Naukowcy dowiedli, że przestrzennie oddzielone plamki laserowe wewnątrz mikrownęki optycznej mogą spontanicznie zsynchronizować swoje oscylacje fazowe (tzw. phase-locking) i utworzyć wspólny stan kolektywny zwany „supermodem”. Dotychczas podobne zjawiska obserwowano jedynie w wyspecjalizowanych układach półprzewodnikowych pracujących w temperaturach kriogenicznych oraz w tzw. reżimie silnego sprzężenia światła z materią.
Nasze wyniki pokazują, że do uzyskania tego rodzaju kolektywnego zachowania światła nie są potrzebne ani złożone materiały kwantowe, ani niskie temperatury – przekonuje Dmitriy Dovzhenko z Uniwersytetu w Southampton, pomysłodawca eksperymentu. – Podobne efekty można osiągnąć na znacznie prostszej i bardziej praktycznej platformie, oferującej rekonfigurowalność optyczną, elektryczną przestrajalność oraz stabilną pracę w warunkach otoczenia, a jednocześnie umożliwiającej działanie w nietypowych reżimach niedostępnych w dotychczas badanych układach.
Opracowane urządzenie składa się z mikroskopowej wnęki optycznej wypełnionej ciekłym kryształem zmieszanym ze standardowym barwnikiem laserowym. Stworzono je w Warszawie. Po pobudzeniu próbki za pomocą przestrzennie ukształtowanego światła (w postaci kilku plamek) niewielkie obszary wnęki zaczynają emitować światło laserowe, działając jak miniaturowe lasery. Zamiast funkcjonować niezależnie, obszary te mogą oddziaływać ze sobą za pośrednictwem światła propagującego się w płaszczyźnie wnęki. Prowadzi to do powstania makroskopowego stanu koherentnego (spójnego) obejmującego wiele plamek laserowych. W tym reżimie układ zachowuje się jak sieć sprzężonych oscylatorów, które spontanicznie się synchronizują.
Co zaskakujące, zjawisko to występuje w reżimie słabego sprzężenia światła z materią, w którym fotony i materia oddziałują słabo i nie tworzą hybrydowych stanów światło-materia. Wynik ten pozostaje w
sprzeczności z wcześniejszymi badaniami, które wskazywały, że hybrydowy charakter stanów wzbudzonych jest konieczny – wyjaśnia Dmitry Solnyshkov, teoretyk z CNRS we Francji.
Kluczową zaletą nowej platformy jest możliwość elektrycznego przestrajania jej właściwości. Poprzez przyłożenie niewielkiego napięcia badacze mogą zmieniać orientację molekuł ciekłego kryształu wewnątrz wnęki. Powoduje to zmianę sposobu propagacji światła, umożliwiając włączanie i wyłączanie oddziaływań pomiędzy plamkami laserowymi oraz kontrolę siły ich sprzężenia. Dodatkowo modyfikowany jest kierunek i polaryzacja emitowanego światła dzięki efektom analogicznym do sprzężenia spin-orbita fotonów. Taki poziom kontroli pozwala na dynamiczną rekonfigurację laserowego supermodu w czasie rzeczywistym.
Mechanizm odpowiedzialny za ten efekt opiera się na subtelnym procesie fizycznym – dodaje Dmitriy Dovzhenko. – Podczas pracy lasera właściwości optyczne materiału ulegają niewielkiemu przesunięciu ku wyższym energiom (tzw. blueshift), co prowadzi do powstania lokalnego potencjału efektywnego w obszarze wzbudzenia. Powoduje on propagację fotonów poza obszar pobudzenia lasera na spore odległości w płaszczyźnie wnęki. Te propagujące się spójne fotony pośredniczą w oddziaływaniu pomiędzy odległymi plamkami laserowymi, umożliwiając ich synchronizację nawet wtedy, gdy są oddalone od siebie o dziesiątki mikrometrów.
Naukowcy pokazali, że takie zachowanie, wcześniej obserwowane wyłącznie w układach silnie sprzężonych światło-materia, można wyjaśnić teoretycznie i potwierdzić numerycznie za pomocą półklasycznych równań Maxwella-Blocha. Są one powszechnie stosowane w fizyce laserów do opisu dynamiki dwupoziomowego układu kwantowego
oddziałującego z modem elektromagnetycznym rezonatora optycznego.
To zupełnie nowy sposób sprzęgania laserów – podkreśla Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. – Zamiast wykorzystywać silne oddziaływanie światła z materią, wykorzystujemy samą propagację światła. Otrzymane wyniki otwierają nową drogę do budowy skalowalnych i programowalnych układów fotonicznych, które mogą znaleźć zastosowanie w obliczeniach optycznych, sieciach neuronowych oraz fotonicznych symulatorach złożonych układów. Dodatkowa możliwość kontroli parametrów emisji może okazać się kluczowa dla kształtowania wiązek światła i zaawansowanych technologii laserowych. Otwiera również nowe perspektywy dla zintegrowanych układów optycznych. Ponieważ system działa w temperaturze pokojowej i wykorzystuje dobrze znane materiały, stanowi obiecującą drogę do praktycznych zastosowań.
Wyniki najnowszych badań podważają długo utrzymujące się w fotonice przekonanie, zgodnie z którym złożone kolektywne stany światła wymagają silnego sprzężenia światła z materią oraz środowiska kriogenicznego. Okazało się, że podobna fizyka może pojawiać się również w prostszych, półklasycznych układach, o ile zapewnione zostaną odpowiednie warunki pobudzania i propagacji światła.
Badania naukowców z Polski, Wielkiej Brytanii, Włoch i Francji opublikowało czasopismo „Nature Communications”.
źródło: FUW