Laserteknik begränsar ljus inuti en resonator som innehåller ett förstärkningsmedium, ett material med kvantegenskaper som kan förstärka ljus. Eftersom laserresonatorer i allmänhet är mycket större än ljusets våglängd, lasering inuti deras hålrum kan förekomma i ett stort antal mönster, som är kända som lägen.

Tidigare fysikstudier har funnit att möjliga lasermönster (dvs. lägen, eller kombinationer av lägen) tävlar med varandra om energi och att lasern sedan väljer det mönster som minimerar energiförlusten. Denna "urvalsprocess" kan löst jämföras med naturligt urval som beskrivs i Darwins evolutionsteori, där medlemmarna av en art som anpassar sig bäst till sin miljö tenderar att överleva och producera fler avkommor. Liknande, lasermönstren (dvs. lägen) som utnyttjar sina energiresurser på bästa sätt slutligen dominerar de andra.

Strax efter att lasrar uppfanns, fysiker började inse att denna "tävling" mellan lägen kan kontrolleras på ett sätt som får tekniken att producera anmärkningsvärt korta pulser, ett fenomen som nu kallas mode-locking. Detta synkroniseringsfenomen innebär att många av lasermoderna oscillerar tillsammans, bildar pulser på flera femtosekunder (10 ^-15 ss).

Lägeslåsning sker när laserdesigners introducerar ett element i laserns hålighet som gör att lasermönstret som använder energi mer effektivt blir till det mönster som maximerar toppintensiteten för laserns elektriska fält. Detta mönster visar sig vara ett i vilket många lägen las samtidigt med en synkroniserad fas. Sedan dess upptäckt, läge-låsning har utnyttjats i många enheter, inklusive högfältoptik och frekvenskammar.

Än så länge, detta synkroniseringsfenomen har nästan alltid beskrivits som ljusets självorganisation i en enda dimension, tidens. Ändå, det kan också potentiellt förstås som ett tredimensionellt fenomen, manifesterar sig i både tid och rum.

Forskare vid Cornell University, arbeta med ett team av externa samarbetspartners, har nyligen introducerat ett teoretiskt tillvägagångssätt som kan hjälpa till att få en bättre förståelse för 3D-spatiotemporal mode-locking. Deras teori, presenteras i ett papper publicerat i Naturfysik , bygger på en rad observationer som samlats in i deras tidigare studier.

"År 2017, Jag upptäckte att lägeslåsning var mycket mer allmän än vad som uppskattades tidigare, "Dr Logan G. Wright, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Istället för att bara vara möjligt i mycket begränsade laserdesigner, Jag fann att lägeslåsning kan uppstå även i "dåliga" laserhålrum med många komplicerade lägen. Denna allmänna läge-låsningsprocess kallas spatiotemporal mode-locking. "

Dr Wrights observation av spatiotemporal mode-locking överraskade många forskare inom fysikgemenskapen, eftersom det föreslog att de flesta tidigare teorier om fenomenet var förenklade. Hans arbete avslöjade i huvudsak att laserfysik kan vara mycket mer 'kreativ' än vad de flesta fysiker förväntade sig.

"I denna nya studie, vi ville förstå hur anpassningsbar lasern kan vara för att hitta komplicerade lösningar på detta optimeringsproblem och om det fanns ett mer allmänt sätt att förstå hur lasrar löser detta problem, "Dr Wright sa." Med andra ord, utnyttjar den fortfarande energin bäst eller händer det mer? "

Dr Wright och hans kollegor kom med ett nytt teoretiskt tillvägagångssätt som kallas 'attractor dissector, "vilket skulle kunna hjälpa till att bättre förstå hur det spatiotemporala lägeslåsningsfenomenet som rapporterats i deras tidigare arbete kan leda till ett" darwinistiskt "urval bland lasermönster. Efter att ha verifierat deras teori genom att samla in detaljerade mätningar, forskarna visade att de ganska komplexa ljusmönstren som möjliggörs genom spatiotemporal mode-locking i allmänhet kan förenas med modernas valstryck och deras behov av att använda energi effektivt.

"Kortfattat, vi tog en noggrann matematisk beskrivning av lasern och betraktade det som ett optimeringsproblem som lasern försöker lösa, "Dr Wright förklarade." Denna matematiska beskrivning är löjligt komplicerad att hantera i allmänhet, men i extrema fall vi kunde reducera optimeringsproblemet till optimeringen av en enda variabel. Åtminstone i dessa fall, vi kan visa att lasern verkar fungera för att maximera energieffektiviteten. "

Teorin som föreslås av Dr Wright och hans kollegor ger en modell för var och en av de olika typerna av 3D-pulser som de observerade i spatiotemporal mode-locking. Detta kan i sin tur hjälpa till att identifiera intracavity -effekterna som är ansvariga för deras bildning och stabilitet.

Övergripande, resultaten som samlats in av Dr Wright och hans kollegor överensstämmer med den tidigare förståelsen för mode-locking, men de föreslår att fenomenet kan vara av en mycket mer kreativ och komplex karaktär än vad man först trodde. Forskarna visade också att tidigare intuitioner angående läge-låsning inte alltid håller, särskilt när ett problem är mycket komplext.

"Multimode-lasrar kan vara en plats där experimenter kan studera självorganisation och darwinistisk liknande konkurrens i miljöer som är mycket komplexa (långt bortom vad som kan simuleras på konventionella datorer), men det kan ändå kontrolleras (till skillnad från de flesta djurpopulationer i naturen, till exempel), "Sa Wright." Således de kan vara ett bra ställe för fysiker att förstå hur naturliga komplexa system organiserar sig. "

Med hjälp av deras teoretiska tillvägagångssätt, Dr Wright och hans kollegor kunde identifiera flera olika typer av 3-D spatiotemporal mode-låsning, som alla inte har några analoger i en enda dimension. Deras resultat kan således hjälpa till att avslöja mer komplexa former av sammanhängande ljus, som kan ha viktiga konsekvenser för både forskning och teknisk utveckling.

"Lasrar har varit monumentalt viktiga för att göra det möjligt för forskare att driva gränser för mätning och experiment:inom fysik och kemi, de flesta nobelpriser är beroende av en mätning eller experimentell teknik som har aktiverats av en särskild laserförmåga, "Dr Wright sa." Så även om vi inte kan vara för specifika ännu, Vi är glada över vad nya lasermöjligheter i slutändan kan möjliggöra för vetenskapliga (och industriella) applikationer. "

Genom att förklara hur laserteknik fungerar i komplexa regimer, tillvägagångssättet och observationerna som presenterats av Dr Wright och hans kollegor kan bana väg för utveckling av nya typer av lasrar med olika funktioner och funktioner. Forskarnas teori kan också förbättra den nuvarande förståelsen för hur komplex fysik innebär naturlig optimering, potentiellt informera om utformningen av nya optimerings- och artificiell intelligensalgoritmer.

"På NTT Research, i fysik- och informatiklaboratoriet, Jag arbetar nu med att förstå hur naturliga fysiska system utför beräkningar och hur vi kan utnyttja dessa beräkningar, "Wright sa." Inom detta mål, multimodlaserns förmåga att lösa komplexa optimeringsproblem gör den till ett utmärkt experimentellt system, och vi arbetar aktivt med att designa relaterade optiska maskiner som utnyttjar denna förmåga att utföra simuleringar och lösa komplexa kombinatoriska problem. Ett viktigt steg som jag för närvarande fokuserar på innebär att försöka förstå den möjliga roll som kvanteffekter kan ha på naturliga beräkningar. "

© 2020 Science X Network