Lägeslåsta lasrar är avancerade lasrar som producerar mycket korta ljuspulser, med varaktigheter som sträcker sig från femtosekunder till pikosekunder. Dessa lasrar används ofta för att studera ultrasnabba och olinjära optiska fenomen, men de har också visat sig användbara för olika tekniska tillämpningar.
Forskare vid California Institute of Technology har nyligen undersökt potentialen hos modlåsta lasrar som plattformar för att studera topologiska fenomen. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , skisserar potentialen hos dessa lasrar för att studera och förverkliga ny icke-hermitisk topologisk fysik, med olika potentiella tillämpningar.
"Idén att använda topologisk robusthet och topologiskt skydd för fotoniska enheter har väckt stor uppmärksamhet under det senaste decenniet, men huruvida sådana beteenden kan ge betydande praktiska fördelar är fortfarande oklart," sa Alireza Marandi, huvudförfattare till tidningen, till Phys.org.
"Vi har undersökt den här frågan specifikt för lasrar och olinjära fotoniska enheter där funktionaliteterna i sig är olinjära. För övrigt utvecklas området topologisk fysik också kring samspelet mellan topologi och olinjäritet och de experimentella plattformarna för sådana undersökningar är relativt glesa."
Målet med den nyligen genomförda studien av Marandi och hans kollegor var dubbelt. Å ena sidan ville de öppna nya möjligheter för studier av icke-linjära topologiska beteenden, medan de å andra sidan ville bredda den praktiska tillämpningen av topologisk fysik i modlåsta lasrar.
"Ur ett experimentellt perspektiv är vår plattform ett tidsmultiplexerat resonatornätverk, som är sammansatt av många synkroniserade pulser i en lång resonator," förklarade Marandi. "Pulserna kan kopplas till varandra på ett kontrollerbart sätt med hjälp av exakta fördröjningslinjer. Detta gör det möjligt för oss att skapa ett programmerbart nätverk av storskaliga resonatorer med stor flexibilitet. Detta är inte lätt på andra plattformar."
I ett tidigare dokument som publicerades 2022 undersökte forskarna topologiska fenomen i storskaliga fotoniska resonatorer, men specifikt i den linjära regimen. Som en del av sin nya studie använde de samma resonatorer för att implementera kopplade lägeslåsta lasrar.
Teamet visade att pulsmönstret som produceras av dessa lasrar kan dra nytta av icke-hermitiska och topologiska fenomen. I grund och botten skapade de en lång hålighet, multi-puls, lägeslåst laser och introducerade en knut inuti den (d.v.s. kopplade dess pulser på ett topologiskt sätt).
"Flexibiliteten i vårt experimentella tillvägagångssätt gjorde det möjligt för oss att både studera skärningspunkten mellan topologi och laserlägeslåsning och att realisera icke-hermitisk topologisk fysik som inte tidigare hade visats i fotoniska system," sa Marandi.
"Vi fann till exempel att synergin mellan icke-hermitisk topologi och vårt systems olinjära dynamik spontant producerade hudlägen i vår lägeslåsta laser. Detta står i skarp kontrast till linjära icke-hermitiska topologiska system, där hudlägen måste undersökas med en extern källa."
Detta senaste arbete av Marandi och hans medarbetare visar löftet om lägeslåsta lasrar för att studera topologisk fysik som hittills varit svåra att komma åt experimentellt. Dessutom skulle deras studie kunna inspirera till användningen av lägeslåsta lasrar för att utveckla ny avkännings-, dator- och kommunikationsteknik.
Dessutom använde forskarna i sina experiment lasern de utvecklade för att bekräfta robustheten hos en matematisk modell som användes för att studera beteendet hos slumpmässigt rörliga partiklar, känd som Hatano-Nelson-modellen, mot störningsinducerad lokalisering. Även om denna modell har studerats flitigt tidigare, hade den ännu inte demonstrerats på en lägeslåst fotonisk plattform.
"Särskilt för denna insikt undersökte vi ytterligare robustheten hos Hatano-Nelson-modellen mot störningsinducerad lokalisering och hur den kan möjliggöra utformningen av robusta frekvenskamkällor," sa Marandi. "Typiskt följs den här typen av robusthet mot något av känslighet för något annat."
I sina nästa studier kommer Marandi och hans kollegor att försöka använda sin metod för att undersöka användningen av Hatano-Nelson-modellen som en sensor med ökad känslighet. Dessutom hoppas de att deras studie kommer att inspirera andra team att experimentera med användningen av lägeslåsta lasrar för att studera topologiska fysikaliska fenomen.
"Vi tror också att vår plattform kan vara en fruktbar grund för att utforska en stor mängd icke-linjära topologiska och icke-hermitiska fenomen som inte är lättillgängliga," tillade Marandi. "Ett sådant exempel som vi är intresserade av är samspelet mellan solitonbildning och topologiska beteenden."
Mer information: Christian R. Leefmans et al, Topological temporally mode-locked laser, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02420-4
Journalinformation: Naturfysik
© 2024 Science X Network
