Het samenbrengen van tegengestelde krachten op één plek is net zo uitdagend als je je zou voorstellen, maar onderzoekers op het gebied van optische wetenschap hebben precies dat gedaan.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben voor het eerst een enkel apparaat gemaakt dat zowel als laser als als anti-laser fungeert, en ze demonstreerden deze twee tegengestelde functies op een frequentie binnen de telecommunicatieband.

Hun bevindingen, gemeld in een krant die maandag wordt gepubliceerd, 7 november in het journaal Natuurfotonica , de basis leggen voor de ontwikkeling van een nieuw type geïntegreerd apparaat met de flexibiliteit om als laser te werken, een versterker, een modulator, en een absorber of detector.

"In een enkele optische holte bereikten we zowel coherente lichtversterking als absorptie op dezelfde frequentie, een contra-intuïtief fenomeen omdat deze twee toestanden elkaar fundamenteel tegenspreken, " zei hoofdonderzoeker Xiang Zhang, senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Dit is belangrijk voor snelle modulatie van lichtpulsen in optische communicatie."

De laser omkeren

Het concept van anti-lasers, of coherent perfect absorber (CPA), is de afgelopen jaren naar voren gekomen als iets dat omkeert wat een laser doet. In plaats van een lichtstraal sterk te versterken, een anti-laser kan inkomende coherente lichtstralen volledig absorberen.

Hoewel lasers al alomtegenwoordig zijn in het moderne leven, toepassingen voor anti-lasers - vijf jaar geleden voor het eerst aangetoond door onderzoekers van de Yale University - worden nog steeds onderzocht. Omdat anti-lasers zwakke coherente signalen kunnen opvangen te midden van een "luidruchtige" onsamenhangende achtergrond, het kan worden gebruikt als een extreem gevoelige chemische of biologische detector.

Een apparaat dat beide mogelijkheden kan bevatten, zou een waardevolle bouwsteen kunnen worden voor de constructie van fotonische geïntegreerde schakelingen, aldus de onderzoekers.

"On-demand controle van licht van coherente absorptie tot coherente versterking was nooit eerder gedacht, en het blijft zeer gewild in de wetenschappelijke gemeenschap, " zei hoofdauteur Zi Jing Wong, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Zhang. "Dit apparaat kan mogelijk een zeer groot contrast in modulatie mogelijk maken zonder theoretische limieten."

De onderzoekers gebruikten geavanceerde nanofabricagetechnologie om 824 zich herhalende paren van winst- en verliesmaterialen te bouwen om het apparaat te vormen, die 200 micrometer lang en 1,5 micrometer breed was. Een enkele streng van mensenhaar, ter vergelijking, is ongeveer 100 micrometer in diameter.

Het versterkingsmedium was gemaakt van indiumgalliumarsenidefosfide, een bekend materiaal dat wordt gebruikt als versterker in optische communicatie. Chroom gecombineerd met germanium vormde het verliesmedium. Door het patroon te herhalen, ontstond een resonantiesysteem waarin licht heen en weer door het apparaat kaatst om de versterkings- of absorptiegrootte op te bouwen.

Als men licht door zo'n gain-loss herhalend systeem wil sturen, een weloverwogen gok is dat licht gelijke hoeveelheden versterking en absorptie zal ervaren, en het licht verandert niet in intensiteit. Echter, dit is niet het geval als het systeem voldoet aan de voorwaarden van pariteitssymmetrie, wat de belangrijkste vereiste is bij het ontwerp van het apparaat.

Balans en symmetrie

Pariteitssymmetrie is een concept dat voortkomt uit de kwantummechanica. Bij een pariteitsoperatie posities worden omgedraaid, zoals de linkerhand die de rechterhand wordt, of vice versa.

Voeg nu de tijdomkering toe, wat verwant is aan het terugspoelen van een video en het achteruit observeren van de actie. De tijdomgekeerde actie van het opblazen van een ballon, bijvoorbeeld, zou diezelfde ballon leeglopen. op het gebied van optica, de tijdomgekeerde tegenhanger van een versterkend versterkingsmedium is een absorberend verliesmedium.

Van een systeem dat terugkeert naar zijn oorspronkelijke configuratie bij het uitvoeren van zowel pariteits- als tijdomkeringsbewerkingen, wordt gezegd dat het voldoet aan de voorwaarde voor pariteitstijdsymmetrie.

Kort na de ontdekking van de anti-laser, wetenschappers hadden voorspeld dat een systeem dat pariteitssymmetrie vertoont, zowel lasers als anti-lasers met dezelfde frequentie in dezelfde ruimte zou kunnen ondersteunen. In het apparaat gemaakt door Zhang en zijn groep, de omvang van de winst en het verlies, de grootte van de bouwstenen, en de golflengte van het licht dat er doorheen beweegt, wordt gecombineerd om voorwaarden van pariteitssymmetrie te creëren.

Wanneer het systeem in evenwicht is en de winst en het verlies gelijk zijn, er is geen netto versterking of absorptie van het licht. Maar als de omstandigheden zodanig worden verstoord dat de symmetrie wordt verbroken, coherente versterking en absorptie kan worden waargenomen.

In de experimenten, twee lichtstralen van gelijke intensiteit werden gericht op tegenover elkaar liggende uiteinden van het apparaat. De onderzoekers ontdekten dat door de fase van één lichtbron aan te passen, ze waren in staat om te controleren of de lichtgolven meer tijd besteedden aan het versterken of absorberen van materialen.

Het versnellen van de fase van één lichtbron resulteert in een interferentiepatroon dat het versterkingsmedium en de emissie van versterkt coherent licht begunstigt, of een lasermodus. Het vertragen van de fase van een lichtbron heeft het tegenovergestelde effect, wat resulteert in meer tijd doorgebracht in het verliesmedium en de coherente absorptie van de lichtstralen, of een anti-lasing modus.

Als de fase van de twee golflengten gelijk is en ze tegelijkertijd het apparaat binnenkomen, er is geen versterking of absorptie omdat het licht in elke regio evenveel tijd doorbrengt.

De onderzoekers mikten op een golflengte van ongeveer 1, 556 nanometer, die binnen de band valt die wordt gebruikt voor optische telecommunicatie.

"Dit werk is de eerste demonstratie van evenwichtige winst en verlies die strikt voldoet aan de voorwaarden van pariteitssymmetrie, wat leidt tot de realisatie van gelijktijdige lasering en anti-lasing, " zei studie co-auteur Liang Feng, voormalig postdoctoraal onderzoeker in Zhang's Lab, en nu een assistent-professor elektrotechniek aan de Universiteit van Buffalo. "Het succesvol bereiken van zowel laser- als anti-lasing binnen een enkel geïntegreerd apparaat is een belangrijke stap in de richting van de ultieme limiet voor lichtcontrole."