Peilitön laser: Uusi valonlähde

Innsbruckin ja Harvardin yliopiston fyysikkojen ryhmä on ehdottanut perustavanlaatuisesti uutta tapaa tuottaa lasersädettä: peilitöntä laseria.

Heidän tutkimuksensa osoittaa, että aallonpituutta pienemmillä etäisyyksillä sijaitsevat kvanttisäteilijät voivat rakentavasti synkronoida fotoniemissionsa ja tuottaa kirkkaan, hyvin kapeakaistaisen valonsäteen jopa ilman optista onteloa.

Perinteisissä lasereissa peilit ovat välttämättömiä valon heijastamiseksi edestakaisin, mikä stimuloi virittyneiden atomien tai molekyylien koherenttia emissiota ja siten valon vahvistumista.

Mutta uudessa "peilittömässä" konseptissa atomit ovat vuorovaikutuksessa suoraan omien sähkömagneettisten dipolikenttien kautta, koska atomien välinen etäisyys on pienempi kuin emittoidun valon aallonpituus.

Kun järjestelmää pumpataan riittävästi energiaa, nämä vuorovaikutukset saavat emitterit lukkiutumaan yhteen ja säteilemään kollektiivisesti – ilmiötä kutsutaan supersäteilyksi.

Helmut Ritschin johtama ryhmä havaitsi, että tämä kollektiivinen emissio tuottaa valoa, joka on sekä erittäin suuntaavaa että spektraalisesti puhdasta ja jolla on yksi kapea spektriviiva, tapauksissa, joissa vain osa emittereistä virittyy epäkoherentin valon vaikutuksesta ja loput atomit jäävät pumppaamattomiksi.

Koska tämä passiivinen emitteriosa ei levene ulkoisen valon tai tehonlevennyksen vaikutuksesta, se toimii tehokkaasti aktiivisten emittereiden optisena resonaattorina, analogisesti perinteisen laserin kanssa, jossa optinen resonaattori ja vahvistusväliaine ovat erillisiä fyysisiä kokonaisuuksia.

”Atomit synkronoivat emissionsa ja tietyn kynnyksen ylittyessä ne alkavat säteillä valoa yhtenäisesti tai yhdessä toistensa kanssa”, selittää Anna Bychek, postdoc Innsbruckin yliopiston teoreettisen fysiikan laitokselta.

”Tulevaisuudessa on vielä monia kysymyksiä tutkittavana, mutta on selvää, että atomit rakentavat oman takaisinkytkentämekanisminsa ja taajuusvalintansa dipoli-dipoli-vuorovaikutuksen kautta vapaassa tilassa.”

Käsitteellisen merkityksensä lisäksi tämä löytö viittaa uudenlaiseen ultrakompaktien valonlähteiden luokkaan nanofotoniikkaan ja tarkkuusmittauksiin.

Koska emissiotaajuuden määräävät ensisijaisesti itse atomit, tällaiset järjestelmät voisivat tarjota poikkeuksellisen vakaat optiset referenssit kvanttisensoreille, kelloille tai sirulaitteille.

Tutkimus yhdistää valon ja aineen vuorovaikutusten teorian edistyneisiin numeerisiin menetelmiin selvittääkseen, miten suuret atomien kokonaisuudet käyttäytyvät yhdessä ja emittoida koherenttia säteilyä.

Tulokset viittaavat siihen, että alan jatkuvan kehityksen myötä peilitön laserointi voisi pian siirtyä teoreettisesta ennusteesta kokeelliseen toteutukseen.

Aiheesta aiemmin:

Uusi energiatehokas ultrakompakti laseri

Viimeinen puuttuva piifotoniikan pala

Femtosekunnin laseri lasista