Als je op een simpel drumvel slaat, het zal zeker een geluid maken, maar je zou dat geluid waarschijnlijk geen muzieknoot noemen.

"Je raakt het, en het genereert al deze trillingen in willekeurige relaties met elkaar. Als resultaat, je krijgt een plof, " zei Frank Wijs, de Samuel B. Eckert hoogleraar Engineering aan de afdeling Toegepaste en Technische Natuurkunde.

Waarom maakt een trommel een plof, wanneer klarinetten en gitaren noten en akkoorden kunnen produceren? Het verschil is dimensionaliteit:in een smalle buis of strak koord, oscillaties van de lucht in de buis of van de snaar zijn eendimensionaal. In tegenstelling tot, een drumvel is tweedimensionaal, en zijn trillingen zijn meestal ingewikkelder.

"Maar stel je voor dat alle trillingen van het trommelvel aan elkaar waren vergrendeld, "zei hij. "Dan zou je iets anders krijgen - een briefje."

Dat is in wezen wat Wise en promovendus Logan Wright hebben gedaan met hun instrument naar keuze:de laser. Dat is het onderwerp van hun paper, "Spatiotemporele modusvergrendeling in multimode fiberlasers, " gepubliceerd 6 oktober in Wetenschap .

Ook werd bijgedragen door Demetrios Christodoulides, hoogleraar optica en fotonica aan de University of Central Florida. Wise en Wright hebben een patentaanvraag ingediend voor deze potentieel revolutionaire lasermethode.

De lasers waarmee de meeste mensen bekend zijn, zijn het resultaat van fotonen (lichtdeeltjes) die in samenhang werken, met andere woorden:de toppen en dalen van de lichtgolven zijn synchroon. Gewoon licht, zoals die van een gloeilamp, omvat meerdere, niet-coherente golflengten in drie dimensies, en dus verstrooit.

De modi van een laserresonator zijn driedimensionaal, ook, met variaties langs de as van de resonator en twee transversale dimensies - op en neer, en van links naar rechts.

Maar de gewone laser - zoals die in een laserpointer wordt gevonden - beperkt de werking tot een enkele transversale modus. "Er verandert niets in de dwarsafmetingen, "Wijs zei, "dus het is in wezen een eendimensionaal apparaat."

Dat betekent niet dat de andere lichtpatronen er niet zijn, en Wise's groep heeft het vermogen bewezen om die andere "kleuren, " of golflengten, samen. En niet alleen zijn alle golflengten vergrendeld, maar dat geldt ook voor de verschillende driedimensionale ruimtelijke patronen van laserlicht. "Het is het vergrendelen van tijd en ruimte, ' zei Wijs.

"Licht met hoge intensiteit gedraagt ​​zich anders dan we gewend zijn, Wright zei. "We waren in staat om de laser zo te ontwerpen dat deze modusvergrendeling vanzelf gebeurt - interacties tussen die modi zorgen er feitelijk voor dat het licht in de laser zichzelf organiseert."

Wright noemt dit "'s werelds eerste driedimensionale modusvergrendelde laser, " maar waar zou het goed voor kunnen zijn? Een paar dingen, zeiden Wise en Wright - die beiden er snel op wezen dat wat ze hebben gedaan een concept demonstreert, geen handige nieuwe tool uitvinden. "Daar zal veel meer werk voor nodig zijn, ' zei Wijs.

Mogelijke toepassingen zijn onder meer:

• Super krachtige lasers, omdat het licht in de laser meer verspreid kan worden en daardoor de piekintensiteit (concentratie van energie) veel lager kan zijn.
• Regeling van de emittantie van de straal om een ​​specifiek patroon in ruimte-tijd te creëren. In theorie, dit zou kunnen worden gebruikt om eerst een reactie in een gecompliceerd molecuul te katalyseren met een lichtpuls (om specifieke trillingen of energieniveaus op te wekken), registreer vervolgens details van die reactie met een andere puls een paar femtoseconden (quadrillionste van een seconde) later. "Dit kan nuttig zijn voor het bestuderen van reacties van zeer complexe moleculen, zoals die worden aangetroffen in biologische systemen, ' zei Wijs.

Wise en Wright geloven dat hun idee een technologie vooruit kan helpen die al meer dan 50 jaar min of meer in één modus is opgesloten. sinds de uitvinding van de laser.

"Net zoals je verrast zou zijn om een ​​noot uit een trommel te horen komen, "Wijs zei, "mensen zullen verrast zijn om een ​​spatiotemporele puls uit een laser te horen komen. We gebruiken vrijheidsgraden die nog niet eerder waren gebruikt."