Erhållen avstämbar mikrolaser som sänder ut två strålar. Strålarna är cirkulärt polariserade och riktade i olika vinklar. Kredit:Mateusz Krol, fakulteten för fysik, University of Warszawa
Forskare från University of Warszawa, Military University of Technology och University of Southampton presenterade en ny typ av avstämbar mikrolaser som sänder ut två strålar. "Dessa strålar är polariserade cirkulärt och riktade i olika vinklar", säger prof. Jacek Szczytko från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa. Denna prestation erhölls genom att skapa den så kallade persistent-spin helixen på ytan av mikrokaviteten. Resultaten har publicerats i Physical Review Applied .
För att uppnå denna effekt fyllde forskare den optiska mikrokaviteten med en flytande kristall dopad med ett organiskt laserfärgämne. Mikrokaviteten består av två perfekta speglar placerade nära varandra — på ett avstånd av 2-3 mikron — så att en stående elektromagnetisk våg bildas inuti. Utrymmet mellan speglarna fylldes med ett speciellt optiskt medium - flytande kristall - som dessutom organiserades med hjälp av en speciell spegelbeläggning.
"Det karakteristiska för flytande kristaller är deras långsträckta molekyler och bildligt talat "kammades de" på ytan av speglarna och kunde stå upp under påverkan av ett externt elektriskt fält och vända även andra molekyler som fyller kaviteten", säger första författare, Marcin Muszynski, från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa.
Ljuset i kaviteten samverkar med molekylerna på olika sätt när det elektriska fältet hos den utbredningsvågen svänger längs molekylerna och när svängningarna är vinkelräta mot dem. Den flytande kristallen är ett dubbelbrytande medium - det kan kännetecknas av två brytningsindex, som beror på riktningen för de elektriska fältsvängningarna (dvs den så kallade elektromagnetiska vågpolarisationen).
Det exakta arrangemanget av molekyler inuti lasermikrokaviteten, erhållet vid Military University of Technology, resulterade i uppkomsten av två linjärt polariserade ljuslägen i kaviteten - dvs två stående ljusvågor med motsatta linjära polarisationer. Det elektriska fältet ändrade orienteringen av molekylerna inuti den optiska kaviteten, vilket ändrade det effektiva brytningsindexet för de flytande kristallskikten. Således styrde den längden på den så kallade optiska ljusbanan - produkten av kavitetens bredd och brytningsindexet som energin (färgen) hos det emitterade ljuset beror på. One of the modes did not change its energy as the molecules rotated, while the energy of the other increased as the orientation of the molecules changed.
By optically stimulating the organic dye placed between the molecules of the liquid crystal, a lasing effect was obtained—coherent light radiation with a strictly defined energy. The gradual rotation of the liquid crystal molecules led to unexpected properties of this lasing. The lasing was achieved for this tunable mode:The laser emitted one linearly polarized beam perpendicular to the surface of the mirrors. The use of liquid crystals allowed for a smooth tuning of the light wavelength with the electric field by as much as 40 nm.
"However, when we rotated the liquid crystal molecules so that both energy of modes—the one sensitive to the orientation of the molecules and the one that did not change its energy—overlapped (that is, they were in resonance), the light emitted from the cavity suddenly changed its polarization from linear to two circular:right- and left-handed, with both circular polarities propagating in different directions, at an angle of several degrees," says Prof. Jacek Szczytko, from the Faculty of Physics of the University of Warsaw.
The phase coherence of the laser has been confirmed in an interesting way. "The so-called persistent-spin helix—pattern of stripes with different polarization of light, spaced 3 microns apart—appeared on the surface of the sample. Theoretical calculations show that such a pattern can be formed when two oppositely polarized beams are phase coherent and both modes of light are inseparable—this phenomenon is compared to quantum entanglement," explains Marcin Muszynski.
So far, the laser works in pulses because the organic dye that was used slowly photodegrades under the influence of intensive light. Scientists hope that replacing the organic emitter with more durable polymers or inorganic materials (e.g., perovskites) will allow for longer lifetime.
"The obtained precisely tunable laser can be used in many fields of physics, chemistry, medicine and communication. We use nonlinear phenomena to create a fully optical neuromorphic network. This new photonic architecture can provide a powerful machine learning tool for solving complex classification and inference problems, and for processing large amounts of information with increasing speed and energy efficiency," adds Prof. Barbara Pietka, from The Faculty of Physics UW. + Utforska vidare
