Sähköisesti viritettävät "superlaserit"

Eurooppalaiset tutkijat esittelevät uuden tavan saada paikkatietoiset laserit synkronoitumaan ja toimimaan yhtenä koherenttina valonlähteenä – ilman äärimmäisiä olosuhteita tai monimutkaisia materiaaleja.

Southamptonin ja Varsovan yliopistojen, Puolan sotilastekniikan yliopiston, Pascal-instituutin, Clermont-Auvergnen yliopiston, CNRS:n ja CNR:n fyysikkojen ryhmä on kehittänyt uudenlaisen viritettävien fotonisten laitteiden luokan, jossa useat pienet lasersäteet synkronoituvat spontaanisti ja käyttäytyvät yhtenäisenä, alueellisesti laajennettuna ja koherenttina valonlähteenä.

On huomionarvoista, että tämä ilmiö saavutetaan huoneenlämmössä käyttämällä yksinkertaista nestekiteisiin ja orgaanisiin väriainemolekyyleihin perustuvaa järjestelmää, mikä avaa uusia mahdollisuuksia edullisille ja uudelleenkonfiguroitaville optisille teknologioille.

”Tuloksemme osoittavat, että tällaisen valon kollektiivisen käyttäytymisen saavuttamiseksi ei tarvita monimutkaisia kvanttimateriaaleja tai matalia lämpötiloja”, sanoo Dmitriy Dovzhenko Southamptonin yliopistosta, artikkelin ensimmäinen kirjoittaja.

”Laite koostuu mikroskooppisesta optisesta ontelosta, joka on täytetty nestekiteellä, johon on sekoitettu standardia laserväriainetta.

Kun tilallisesti jäsennelty valo virittää ontelon vastaavat pienet alueet, ne alkavat laseroida – lähettäen koherenttia valoa kuin pienet laserit. Sen sijaan, että nämä alueet toimisivat itsenäisesti, ne voivat vuorovaikuttaa keskenään ontelon tasossa etenevän valon kautta.

Tämä vuorovaikutus johtaa makroskooppisen koherentin tilan syntymiseen, joka ulottuu useiden laserpisteiden yli. Tässä tilassa järjestelmä käyttäytyy kuin kytkettyjen oskillaattorien verkosto, joka synkronoituu spontaanisti.

Uuden alustan keskeinen etu on sen sähköinen viritettävyys. Käyttämällä pientä jännitettä tutkijat voivat suunnata nestekidemolekyylit uudelleen ontelon sisällä. Tämä muuttaa valon etenemistä ja antaa niille mahdollisuuden kytkeä laserpisteiden välistä vuorovaikutusta päälle ja pois sekä kontrolloida niiden välisen kytkennän voimakkuutta. Se myös muuttaa emittoidun valon suuntaa ja polarisaatiota indusoimalla fotonien spin-orbit-kytkennän kaltaisia vaikutuksia. Tämä säätötaso mahdollistaa laseroinnin "supermoodin" dynaamisen uudelleenkonfiguroinnin reaaliajassa.

Työ kyseenalaistaa fotoniikan pitkäaikaisen oletuksen – että valon monimutkaiset kollektiiviset tilat vaativat voimakasta valon ja aineen välistä kytkentää ja kryogeenisiä ympäristöjä. Sen sijaan se osoittaa, että samanlaista fysiikkaa voi syntyä yksinkertaisemmissa, puoliklassisissa järjestelmissä, edellyttäen, että oikeat olosuhteet valon herätteelle ja etenemiselle täyttyvät.

Aiheesta aiemmin:

Laserläpimurto kirjoittaa fotoniikan valmistuksen säännöt uudelleen

Peilitön laser: Uusi valonlähde