A modern technológiák egyre inkább olyan fényforrásokra támaszkodnak, amelyek igény szerint újrakonfigurálhatók. Gondoljon azokra a mikrolézerekre, amelyek gyorsan tudnak váltani a különböző működési állapotok között, -mint egy autó sebességváltója-, így egy optikai chip képes jeleket irányítani, számításokat végezni, vagy valós időben alkalmazkodni tud a változó körülményekhez. A mikrolézeres váltás nem zökkenőmentes, nyugodt folyamat, hanem lehet hirtelen és gyors is. Általában a közel azonos „jelölt” lézerállapotok versengenek egymással egy mikroüregben, és a lézer hirtelen egyik állapotból a másikba ugorhat, ha külső körülményeket hangolunk.
Ez felvet egy gyakorlati kérdést: elvileg milyen gyors lehet egy ilyen váltás? A fizikusok számára ez egy mélyebb kérdést vet fel: a kapcsolás univerzális szabályt követ, mint a természetben előforduló többi fázisátalakulás?
A Pekingi Egyetem egyik csapata most világos képet mutatott egy rendkívül jó{0}}minőségű mikroüreges lézerről-, ameddig a lézernek szüksége van az állapotváltáshoz, egy rendkívül egyszerű hatalom-törvény szerint. Ha a vezérlőgombot gyorsabban mozgatják, a kapcsoló gyorsabbá válik-, de nem önkényesen. Ehelyett a kapcsolási idő a sweep sebesség négyzetgyökével csökken, ami egy robusztus kitevőnek felel meg, amely közel a fele. Ez az eredmény hatékonyan meghatározza a sebességkorlátozást arra vonatkozóan, hogy az ilyen mikrolézerek milyen gyorsan tudnak "sebességváltást" végezni. Az eredményeket ben tették közzéFizikai áttekintő levelek.
Hogyan lehet vezérelni a lézerkapcsolót?
Az ultramagas-Q üregben a fotonok milliószor keringenek, mielőtt kiszivárognának, ami nagymértékben fokozza a fény-anyag kölcsönhatást, és lehetővé teszi az alacsony-küszöbű lézerezést. Eddig a legtöbb tanulmány meg tudta állapítani, hogy a lézer melyik állapotba került, de sokkal nehezebb volt megragadni magát a kapcsolási folyamatot-azt a rövid tranzienst, amikor a lézer elhagyja az egyik állapotot, és átáll a másikba. Ez a tranziens nanoszekundumos időskálán bontakozhat ki, és ez egy folyamatosan hajtott és energiát veszítő nyitott rendszerben történik, ahol a zaj és a disszipáció központi szerepet játszik.
Ennek megoldására a csapat egy mikro{0}}lézerplatformot épített, amely tiszta és programozható módon hangolható. A lézer egy ultramagas-Q szilícium-dioxid mikrogömbben,-mindössze több tíz mikrométer átmérőjű-generálódik, ahol az óramutató járásával megegyező és az óramutató járásával ellentétes irányú hullámok összekapcsolódhatnak, és két egymással versengő álló-hullámállapotot (két "szupermódus") alkothatnak, amelyek szimmetriája ellentétes.
A kulcsötlet egy visszacsatoló hurok hozzáadása volt, amely a lézerfény egy kis részét visszafecskendezi az üregbe. Az újrainjektált fény fázisának szabályozásával a kutatók az interferenciát erősíthetik vagy gyengíthetik bizonyos szupermódusokat. Valójában ez a fázisvezérlés lehetővé teszi a veszteségegyensúly beállítását a két versengő lézerállapot között, -mint például a libikóka beállítása-, hogy a rendszert át lehessen söpörni a kritikus ponton, ahol az egyik állapot előnyt élvez a másikkal szemben. Ez egy kifejezetten „nem-hermitiánus” vezérlési forma: ahelyett, hogy csak a rezonanciafrekvenciákat változtatná meg, közvetlenül formálja át a nyereség-veszteség környezetet, amely irányítja, hogy melyik állapot nyer.
A váltás filmezése valós időben
A kapcsoló vezérlése csak a történet fele,{0}}a rögzítés a másik fele. A csapat rádiófrekvenciás (RF) beat-módszert használt: a lézerkimenetet stabil referenciával keverték, és nyomon követték a kapott RF jelet az idő múlásával. Ez az ultragyors optikai változásokat mérhető elektromos jelekké alakítja, lehetővé téve a kutatóknak, hogy rekonstruálják, hogyan alakul a lézer állapota a váltás során 10 nanoszekundumos alatti felbontással.
Az egyszerű szabály: A teljesítmény skálázása
Ha a tranziens látható, egy természetes kísérlet válik lehetővé: ismételje meg sokszor a kapcsolási protokollt, de a vezérlőgombot különböző sebességgel söpörje át. A csapat ezután minden váltási eseményből kivont egy jól-definiált átmeneti időt. Az eredmény megdöbbentő volt: a seprési sebességek széles tartományában az átmeneti idő robusztus teljesítménytörvényt követ. A gyorsabb sweep gyorsabb váltást eredményez, de a javulás kiszámítható módon lelassul.
Kvantitatívan a kapcsolási idő megközelítőleg a sweep sebesség inverz négyzetgyökeként skálázódik, ami egy 0,5-hez közeli kitevőnek felel meg. Ugyanez a viselkedés a csatolt-üreges lézerhálózatokkal kapcsolatos tanulmányokban is megjelenik, ami azt sugallja, hogy a szabály nem egy eszköz törékeny jellemzője, hanem a vezérelt, disszipatív fotonikus rendszerek nem egyensúlyi átkapcsolásának tágabb elvét tükrözi.
"Az univerzális skálázási törvények értékesek, mert előrejelző iránytűt adnak a mérnököknek és a tudósoknak" - mondta Prof. Xiao, a kutatás megfelelő szerzője. "Ahelyett, hogy az eszközöket próbálgatással hangolnánk, egy skálázási szabályt használhatunk annak előrejelzésére, hogy a vezérlési sebesség változása hogyan befolyásolja a válaszidőt,{2}}és megértheti, hol lép be a csökkenő hozam."
Alkalmazások esetében ez a felfedezés ösztönözheti az újrakonfigurálható mikrolézereket, amelyeknek gyorsan üzemállapotot kell váltaniuk az on-chip fotonikához, valamint az optimalizáláshoz és az analóg számítástechnikához javasolt csatolt lézerhálózatokat, ahol sok csomópontnak megbízhatóan és gyorsan kell váltania. Az alaptudomány számára az eredmény ritka, tiszta kísérleti mércét jelent a nem egyensúlyi kritikus dinamikához egy nyitott, nem -hermitikus környezetben-, ahol a fázisátalakulással kapcsolatos klasszikus elképzeléseket újra kell gondolni és tesztelni kell.
