Вчені створили кристал світла в лабораторії

Оптичні мікрорезонатори перетворюють лазерне світло в ультракороткі імпульси (дисипативні солітони Керра), зберігаючи їх форму і утворюючи кристал світла.

Кристал світла
Світлові імпульси в оптичному мікрорезонаторі утворюють ідеальний солітонний кристал, credit: Second Bay Studios

Оптичні мікрорезонатори перетворять лазерне світло в ультракороткі імпульси, що поширюються по колу резонатора. Ці імпульси називаються «диссипативні солітони Керра» та можуть поширюватися в мікрорезонаторі, зберігаючи свою форму. Кристал світла – таку назву дали вчені цьому дивовижному фізичному явищу. Коли солітони виходять з мікрорезонатора, світло приймає форму серії повторюваних імпульсів з фіксованими інтервалами. В цьому випадку частота проходження імпульсів визначається розміром мікрорезонатора. Менші розміри генерують серію імпульсів з високою частотою (сотні гігагерц) повторення. Вони можуть бути використані, наприклад, для підвищення продуктивності оптичних ліній зв’язку, а також можуть стати основною технологією для надшвидкого LiDAR з субмікронною точністю.

Ефект цікавий, але технологія страждає від того, що вчені називають «втратами при вигині світла» – втратою світла, викликаною структурними вигинами на його шляху. Ця добре відома проблема у волоконній оптиці також означає, що розмір мікрорезонаторів не може опускатися нижче декількох десятків мікрон, що обмежує максимальну частоту повторення для імпульсів, яку можна досягти.

У виданні «Фізика природи» дослідники з лабораторії Тобіаса Дж. Кіппенберга при EPFL описали спосіб обходу цього обмеження. У їх дослідженні частота повторення імпульсів не залежить від розміру мікрорезонатора, оскільки одночасно генерується кілька солітонів в одному мікрорезонаторі.

Вчені знайшли спосіб заповнення мікрорезонатора максимально можливою кількістю дисипативних солітонів Керра з однаковою відстанню між ними. Це нове утворення світла можна розглядати як оптичний аналог атомних ланцюжків в кристалічних твердих тілах, і тому дослідники дали їм назву «бездоганні солітонні кристали» (PSC) або просто «кристал світла».

Завдяки інтерферометричному поліпшенню і великій кількості оптичних імпульсів, PSC когерентно множать продуктивність отриманої послідовності імпульсів – не лише частоту їх повторення, а й потужність. Дослідники також вивчили динаміку утворення PSC. Незважаючи на свою високоорганізовану структуру, вони, схоже, тісно пов’язані з оптичним хаосом, явищем, викликаним нестабільністю світла в оптичних мікрорезонаторах, що також характерно для напівпровідникових та волоконно-лазерних систем.

Таким чином, вчені навчилися генерувати послідовності оптичних імпульсів з ультрависокою частотою повторення в кілька терагерц, використовуючи звичайні мікрорезонатори. Їх можна використовувати, наприклад, в спектроскопії і як джерело тихого терагерцового випромінювання в мініатюрних чіпах. Тим часом, нове розуміння динаміки солітонів в оптичних мікрорезонаторах відкриває нові можливості в фундаментальній фізиці солітонних ансамблів в нелінійних системах.

Не питайте мене, про що йде мова в цій статті, але погодьтеся, словосполучення “кристал світла” звучить загадково і вражаюче!

Джерело: phys.org.

1

Що Ви про це думаєте?

Напишіть відгук

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *