Elektronmikroskopbild som visar en detalj av en defektkonstruerad ring. Luftslitsen fungerar som en reflektionspunkt i vågledaren, inducerar motförökande vågor. Kredit:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Vi har alla upplevt turbulent luft och vatten, men visste du att ljus också kan vara turbulent?
Ett internationellt team av forskare, ledd av Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), har utnyttjat turbulens i ljus för att skapa en specifik typ av högprecisionslaser, känd som en laserfrekvenskam, i ett system som tidigare ansågs oförmöget att producera en sådan laser. Upptäckten kan användas i en ny generation enheter för applikationer som optisk spektroskopi och avkänning.
Forskningen är publicerad i Natur .
Frekvenskammar är mycket använda verktyg för att detektera och mäta olika ljusfrekvenser med unik precision. 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. I dag, de används i allt från miljöövervakning och kemisk avkänning till sökandet efter exoplaneter, optisk kommunikation och högprecisionsmätning och timing.
Capasso och hans team på SEAS har arbetat för att göra dessa enheter mer effektiva och kompakta för applikationer inklusive telekommunikation och bärbar avkänning.
År 2019, Capasso och hans team kom på hur man överför trådlösa signaler från laserfrekvenskammar, skapade den första laserradiosändaren. Forskarna använde halvledande kvantkaskadlasrar formade som mycket små Kit Kat-stänger, som genererade frekvenskammar genom att studsa ljus från ände till ände. Detta studsande ljus skapade vågor som utbreder sig mot varandra som interagerar med varandra för att generera kammens olika frekvenser. Dock, dessa enheter avgav fortfarande mycket ljus som inte användes i radiokommunikationsapplikationerna.
"När man går in på den här forskningen, vår huvudfråga var hur vi kan göra en bättre geometri för laserradio, sa Marco Piccardo, en tidigare postdoktor vid SEAS och första författare till tidningen.
Piccardo är för närvarande forskare vid Istituto Italiano di Tecnologia i Milano.
Mikroskopbild av monolitiska halvledarlasrar tillverkade med ringvågsledare. När den är påslagen, ljuset i dessa lasrar visar ett turbulent flöde, precis som rörelsen av ett stormigt moln. Denna turbulens är nyckeln till att generera nya frekvenskammar. Kredit:Harvard SEAS
Forskarna vände sig till ringkvantkaskadlasrar, som, på grund av sin cirkulära form, kan generera en laser med mycket låg optisk förlust. Dock, ringlasrar har ett grundläggande problem när det gäller att generera frekvenskammar:ljusstrålar som färdas i en perfekt cirkel utbreder sig bara i en riktning, medurs eller moturs, och kan därför inte generera de mot-utbredningsvågor som behövs för att bilda en kam. För att övervinna detta problem, forskarna introducerade små defekter i ringarna och jämförde resultaten med en grupp defektfria ringar.
Men när forskarna körde experimentet, resultaten överraskade alla.
De perfekta ringarna, som tidigare fysikteorier sa att det omöjligen kunde generera en frekvenskam, genererade frekvenskammar.
"När vi såg det, vi tyckte att det här var bra för oss, för det är precis den här typen av ljus vi letar efter, bara vi förväntade oss inte att hitta det i det här experimentet. Framgången verkade motsäga nuvarande laserteori, sa Benedikt Schwarz, en forskare vid TU Wien i Wien och medförfattare till studien.
Forskarna försökte förklara hur ett sådant fenomen kunde uppstå, och så småningom stötte på turbulens. I vätskor, turbulens uppstår när ett ordnat vätskeflöde bryter upp i allt mindre virvlar som interagerar med varandra tills systemet så småningom bryter in i kaos. I ljus, detta tar formen av våginstabilitet, där en liten störning blir större och större och så småningom dominerar systemets dynamik.
Forskarna kom på att små fluktuationer i strömmen som används för att pumpa lasern orsakade små instabiliteter i ljusvågorna, även i en perfekt ringlaser. Dessa instabiliteter växte och interagerade med varandra, precis som i en turbulent vätska. Dessa interaktioner orsakade sedan en stabil frekvenskam.
"Vi ändrade inte bara geometrin på laserfrekvenskammarna, vi upptäckte ett helt nytt system för att skapa dessa enheter, och därvid, omarbeta en grundläggande lag för lasrar, sa Piccardo.
I framtiden, dessa anordningar kan användas som elektriskt pumpade mikroresonatorer på integrerade fotoniska kretsar. Dagens chip-skala mikroresonatorer är passiva, vilket betyder att energi måste pumpas optiskt utifrån, öka systemets storlek och komplexitet. Men ringlaserfrekvenskammen är aktiv, vilket betyder att den kan generera sitt eget ljus bara genom att injicera elektrisk ström i den. Det ger också åtkomst till områden i det elektromagnetiska spektrumet som inte täcks av mikroresonatorer. Detta kan vara användbart i en rad applikationer, såsom optisk spektroskopi och kemisk avkänning.
"Detta är ett första mycket viktigt steg i att ansluta passiva mikroresonatorer med aktiva frekvenskammar, "Att kombinera fördelarna med dessa två enheter kan få viktiga grundläggande och tekniska implikationer."
