Laser im Quadrat: Eine Zwei

Feature vom 17. Juli 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Laser sind eine bedeutende historische Erfindung mit allgegenwärtiger Auswirkung auf die Gesellschaft. Das Konzept findet auch interdisziplinäre Anwendungen als Phononenlaser und Atomlaser. Ein Laser in einem physikalischen Bereich kann durch Energie in einem anderen gepumpt werden. Dennoch haben alle in der Praxis demonstrierten Laser bisher nur in einem physikalischen Bereich gelasert.

In einem neuen, in Science Advances veröffentlichten Bericht demonstrierten Ning Wang und ein Forschungsteam am College of Optics and Photonics der University of Central Florida, USA, und der Prysmian-Gruppe in Frankreich den gleichzeitigen Prozess der Photonen- und Phononenlaserung. Der Zwei-Domänen-Laser findet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten als optische und akustische Pinzette zur mechanischen Erfassung, zur Erzeugung von Mikrowellen und zur Quantenverarbeitung. Das Team geht davon aus, dass diese Demonstration neue Wege für Multidomänen-Laseranwendungen eröffnen wird.

Laser sind eine Erweiterung elektronischer Oszillatoren bei Radiofrequenzen und Maser bei Mikrofrequenzen im optischen Bereich. Laser haben enorme Anwendungsmöglichkeiten mit neuen Erweiterungen des Konzepts in verschiedenen Bereichen, wie etwa akustische Oszillatoren, auch Saser genannt, und Oszillatoren bei Atom- oder Materiewellen. Das Konzept des Lasers beschreibt traditionell einen optischen Oszillator, der auf stimulierter Emission basiert, obwohl die Begriffe Phononenlaser und Atom-/Materielaser auch weit verbreitet sind.

Es gibt einige Anwendungen, bei denen der Prozess des gleichzeitigen Photonen- und Phononenlaserns nützlich sein kann. Dazu gehört die Entwicklung akustischer Pinzetten im Submillimeterbereich. Kombinierte Ultraschall- und photonische biologische Bildgebung für eine verbesserte Bildqualität und Zwei-Domänen-Laser haben Einsatzmöglichkeiten in der Quanteninformationsverarbeitung und -erfassung. Bestehende Demonstrationen haben gezeigt, dass die optische akustische Welle von Stokes ein Nebenprodukt in einem Phononenlaser ist. In dieser Arbeit entwickelten Wang und Kollegen ein System gekoppelter Oszillatoren, die in zwei verschiedenen physikalischen Domänen laserten, die von derselben Quelle gepumpt wurden, um zu zeigen, wie der gleichzeitige Photonen- und Phononenlaser in zwei Domänen die Ausgangsleistung von Photonen- und Phononenlasern steigerte.

Das Team erzeugte die niederfrequente akustische Biegewelle mithilfe vorwärtsstimulierter Brillouin-Streuung; die Wechselwirkung von Photonen und Phononen innerhalb einer Zweimodenfaser. Die niederfrequenten Phononen waren in der Quarzglasfaser eingeschlossen und hatten eine lange Lebensdauer von 10 Millisekunden. Die Ausbreitungslänge betrug ungefähr 10 Meter, sodass auch Phononen lasern konnten. Im Versuchsaufbau steigerte die kohärente Schwingung der optischen Welle die Verstärkung akustischer Phononen und umgekehrt, um Laserwirkung in zwei Domänen zu erzeugen.

Das Team stellte vier Funktionszustände des Geräts fest, indem es die optische Pumpleistung erhöhte, um Photonen- und Phononenlaser zu erzeugen, wobei die Gewinne sowohl für die optische Stokes-Welle als auch für die akustische Welle ihre Verluste übersteigen mussten. Die Experimentatoren entwickelten eine Methode, um Phononenenergie innerhalb des Ringhohlraums zu ermöglichen, um das Phononenlasern zu erleichtern. Während die Leistung des Phononenlasers im Hohlraum begrenzt war, war am Ausgang des Kopplers der optische Stokes-Laser zu sehen.

Bei den Experimenten verwendeten die Forscher eine fasergekoppelte 976-nm-Pumpdiode mit einer maximalen Ausgangsleistung von 400 mW. Um die Funktionstemperatur des Systems zu regulieren, nutzten sie einen thermoelektrischen Kühler. Die Pumpe wird in eine Zweimodenfaser eingespeist, die in den Ringhohlraum mit Außendurchmesser gekoppelt ist.

Die Wissenschaftler verwendeten eine 2-Mode-Faser mit reduzierter Ummantelung, die aus einer Ummantelung aus reinem Siliciumdioxid und einem mit Germaniumoxid dotierten Siliciumdioxidkern besteht. Da sich die akustischen Felder in den gesamten Mantel erstreckten, verbesserte der Prozess der Reduzierung der Zweimodenfasermantelgröße die Überlappung zwischen akustischen und optischen Feldern, um den Verstärkungskoeffizienten der stimulierten Brillouin-Streuung zu erhöhen.

Das Team maß die Ausgangsleistung des Phononenlasers als Funktion der in den Ringhohlraum injizierten Pumpleistung, um zwei Schwellenwerte zu ermitteln, die dem Photonenlaser und dem Phononenlaser entsprechen. Die Schwellenpumpleistung des Photonenlasers betrug 180 mW. Als sie die Pumpleistung auf 308 mW erhöhten, begann auch der Phononenlaser zu lasern.

Die gemessene Schwellenpumpleistung und Ausgangslaserleistung stimmten mit den Ergebnissen der numerischen Simulationsergebnisse überein. Der Photon-Phonon-Laser stellte eine umgekehrte dissipative Hierarchie dar, bei der die Linienbreite der akustischen Emission im Vergleich zu bestehenden Standards viel schmaler war als die Linienbreite des Pumplasers.

Auf diese Weise zeigten Ning Wang und Kollegen, wie zwei kohärent gekoppelte Laser in unterschiedlichen physikalischen Bereichen eine Vielzahl praktischer Aufgaben erfüllten. Licht und Ton haben unterschiedliche räumliche und zeitliche Eigenschaften und interagieren unterschiedlich mit Materialien; Daher kann ihre Verfügbarkeit unterschiedlich untersucht werden. Dieses Phänomen des gekoppelten Laserns in zwei verschiedenen physikalischen Bereichen innerhalb desselben Hohlraums ist ein erstes Ergebnis einer Studie. Dieses Ergebnis geht über bereits etablierte Methoden hinaus, die kohärent gekoppelte Laser wie Laserdiodenarrays umfassen.

Der Zweidomänenlaser erforschte die vorwärtsgerichtete intermodale stimulierte Brillouin-Streuung, um eine Kopplung für gleichzeitiges Photonen- und Phononenlasern innerhalb desselben Hohlraums zu ermöglichen. Das Team konnte in dieser Studie die Phononenlaserleistung nicht direkt beobachten, da es keine Kameras mit hoher Auflösung und hoher Bildrate gab. Die Wissenschaftler beobachteten mehrere Regime der Laserfunktionalität in Bezug auf spontane Brillouin-Streuung, Photonenlaser und Photonen-Phononen-Laser, die mit dem theoretischen Modell des 2-Domänen-Lasers übereinstimmten. Die Ergebnisse können zu zukünftigen Fortschritten in der Optomechanik führen und werden den Weg für Multidomänenlaser und verwandte Anwendungen ebnen.

Mehr Informationen: Ning Wang et al., Laser 2: Ein Zwei-Domänen-Photonen-Phononen-Laser, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

Robert M. Pettit et al., Ein optischer Pinzetten-Phononenlaser, Nature Photonics (2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0395-5

Zeitschrifteninformationen:Naturphotonik, wissenschaftliche Fortschritte

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