Ny forskning kastar ljus över frekvenskammarnas grundläggande fysik, erbjuda insikt i naturens problemlösningsförmåga och lovande tekniska framsteg. Kredit:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Naturen har ett sätt att hitta optimala lösningar på komplexa problem. Till exempel, trots miljarder sätt för ett enda protein att vika sig, proteiner vikas alltid på ett sätt som minimerar potentiell energi. Slemmögel, en hjärnlös organism, hittar alltid den mest effektiva vägen till en matkälla, även när de ställs inför ett hinder. Ett hopprep, när den hålls i båda ändarna, hamnar alltid i samma form, en kurva som kallas kontaktledning.
Denna typ av optimering förklaras av vad som är känt som en variationsprincip:alla andra deformationer – eller variationer – av formen som proteinet hittar, mögel eller hopprep skulle kräva mer energi.
Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), har funnit att vissa lasrar använder samma princip. Forskningen beskrivs i Fysiska granskningsbrev .
Frekvenskammar används ofta, högprecisionsverktyg för att mäta och detektera olika frekvenser—a.k.a. ljusets färger. Till skillnad från konventionella lasrar, som avger en enda frekvens, dessa lasrar sänder ut flera frekvenser i låssteg, jämnt fördelade för att likna tänderna på en kam.
När en laser producerar en frekvenskam, den avger ljusvågor som upprepar sig med jämna mellanrum. Beroende på kammens parametrar, dessa vågor kan antingen ha konstant intensitet medan de varierar i färg, eller ser ut som korta ljuspulser som bygger upp och minskar i intensitet.
Forskare vet hur kammar producerar pulser, men hur så kallade frekvensmodulerade lasrar kan hålla en konstant intensitet inför ändrade frekvenser har varit ett långvarigt pussel.
Lägena för en optisk frekvenskam (röda linjer) låses samman av en variationsprincip. Denna princip definierar en specifik väg (blå linje) i laserns stora parameterutrymme, vilket är att föredra framför alla andra vägar (grå linjer) som erhålls genom små variationer av denna bana. Genom att följa denna variationsprincip, lasern garanterar att maximera sin uteffekt. Kredit:Capasso Lab/Harvard SEAS
Teamet av forskare, ledd av Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik, kunde rekonstruera på en tidsskala av en biljondels sekund vågformen som sänds ut av ljuskällor kända som kvantkaskadlasrar, används ofta inom spektroskopi och avkänning. De fann att lasrarna väljer att sända ut ljusvågor på ett sätt som inte bara undertrycker intensitetsfluktuationerna - vilket leder till en konstant intensitet i tiden - utan också maximerar uteffekten.
"Vi upptäckte att en frekvensmodulerad laser kan justera parametrar själv, liknar en DJ som vrider på rattarna på en musiksynt, för att minimera fluktuationer i den utsända intensitetsvågen, sa Marco Piccardo, en postdoktor vid SEAS och första författare till uppsatsen. "Att vrida alla dessa rattar på rätt sätt är inte en lätt uppgift. När man producerar en nästan platt intensitetsvågform, den frekvensmodulerade lasern har löst ett komplext optimeringsproblem, fungerar precis som en analog dator."
"Denna upptäckt reder ut fysiken i en lovande frekvenskamteknologi, " sa Capasso. "Den dra nytta av en minimal intensitetsmodulering vid laserutgången, dessa enheter kan konkurrera med konventionella ultrakorta pulslägeslåsta lasrar i spektroskopiapplikationer."
