För att tämja kaos i kraftfulla halvledarlasrar, som orsakar instabilitet, forskare har infört en annan typ av kaos.

Högdrivna halvledarlasrar används vid materialbearbetning, biomedicinsk bildbehandling och industriell forskning, men det utsända ljuset som de producerar påverkas av instabilitet, gör det osammanhängande.

Instabiliteten i lasern orsakas av optiska filament; ljusstrukturer som rör sig slumpmässigt och förändras med tiden, orsakar kaos. Att ta bort dessa instabiliteter har länge varit ett mål inom fysiken, men tidigare strategier för att reducera filament har vanligtvis inneburit att minska laserns effekt.

Det betyder att den inte längre kan användas för många praktiska applikationer med hög effekt, såsom i ultraljus 3D-bio eller som element i extremt ljusa lasersystem som används i fusionsreaktorer.

Istället, forskare fick välja mellan en kraftfull halvledarlaser med dålig utskriftskvalitet och en sammanhängande men mycket mindre kraftfull laser.

Nu, ett forskargrupp från Imperial College London, Yale universitet, Nanyang Technological University och Cardiff University har kommit med en ny lösning.

Deras teknik, publicerad idag i Vetenskap , använder 'kvantkaos' för att förhindra laserfilament, vilket leder till instabiliteten, från att bildas i första hand. Genom att skapa kvant (kaos) kaos i hålrummet som används för att skapa lasern, själva lasern förblir stabil.

Professor Ortwin Hess, från Institutionen för fysik vid Imperial, bidragit mycket av teorin, simulering och tolkning av det nya systemet. Han sa:"Såsom de optiska filamenten, som orsakar laserinstabiliteten, växa och motstå kontroll är för lasern lite som tornados oroliga beteende. När de väl bildats, de rör sig kaotiskt, orsakar förstörelse i deras spår.

"Dock, tornados är mer benägna att bilda och flytta över platt land. Till exempel, i Amerika bildas de ofta i vackra Oklahoma men inte lika ofta i kuperade West Virginia. Kullarna verkar vara en viktig skillnad - de hindrar tornado från att kunna bilda eller röra sig.

"På samma sätt, genom att skapa ett "kuperat" optiskt landskap precis inuti våra lasrar med hjälp av kvantkaos, vi tillåter inte att trådarna - våra optiska tornados - bildas eller växer ur kontroll. "

Lasersystemet, tillverkad vid Nanyang Technological University i Singapore, har bevisats experimentellt vid Yale University. Teamet arbetar nu med att ytterligare utforska och skräddarsy ljusutsläpp, såsom att förbättra laserns riktning.

De säger dock att genombrottet redan borde göra det möjligt för halvledarlasrar att arbeta med högre effekt med hög utsläppskvalitet, och att samma idé skulle kunna tillämpas på andra typer av lasrar.

Lasrar avger sammanhängande ljus som kan fokuseras i en tät stråle. För att producera och förstärka ljuset, den studsas runt ett hålrum genom speciella förstärkningsmaterial. Dock, när stora halvledarlasrar är påslagna, detta studsar fram och tillbaka skapar trådar - delar av ljuset som snabbt börjar agera kaotiskt.

För att skapa ett annat kaos - det kvantkatotiska landskapet - utformade teamet en ny form av hålighet för lasern. De flesta hålrum är kubiska i form, men genom att använda en D-formad hålighet, laget kunde framkalla kvantkaos i ljuset som studsade runt.

Detta kvantkaos verkar i mindre skala än ljusets våglängd, skapa de optiska "kullarna" som hjälper till att skingra de optiska "tornados".

Professor Hui Cao, från Yale University, sade:"Vi använder våg-kaotiska eller störda håligheter för att störa bildandet av självorganiserade strukturer som filament som leder till instabilitet."

Teamet fick insikt i de processer och hålrumsformer som sannolikt kommer att skapa denna typ av kvantkaos från teorier och experiment inom nanofotonik och nanoplasmonik - studera ljus och metaller på en skala av miljardelar av en meter.

Professor Hess tillade:"Jag har arbetat med spatio-temporal och kvantdynamik i lasrar sedan min doktorsexamen, så det är glädjande att återvända till det nu med kunskap från nanofotonik och nanoplasmonik.

"Förhållandet fungerar också tvärtom - med sådana här system kan vi erbjuda nya insikter om nanofotonik och nanoplasmonik, och föra samman nanovetenskap och lasersamhällen. "