Een team van de Faculteit der Natuurkunde van de Lomonosov Moscow State University, samen met wetenschappers van het Russische Quantum Center, hebben een nieuw wiskundig model ontwikkeld dat het proces van het voorkomen van soliton in optische microresonatoren beschrijft. In de toekomst, dit zou kunnen leiden tot universele optische oscillatoren en andere verbeteringen. Het werk is gepubliceerd in Optica Express .

in 2017, een team van wetenschappers onder leiding van Mikhail Gorodetsky, een professor van de Faculteit der Natuurkunde, MSU, ontwikkelde een methode voor het regelen van het aantal solitonen in zogenaamde optische microresonatoren. Microresonatoren vormen de basis van moderne fotonica, een wetenschap die gespecialiseerd is in optische signalen. Een resonator is een ringvormige val voor licht waarin een foton vele malen grazend terugkaatst, in cirkels bewegen.

Solitonen zijn solitaire gelokaliseerde golven die in resonatoren verschijnen als de brekingsindex van het bouwmateriaal van een resonator niet-lineair is en een bepaalde functie van de golflengte is. In dit geval, een laserstraal, na het maken van een aantal rondes in een resonator, splitst in afzonderlijke solitonen (d.w.z. autofocust en verandert in femtoseconde-lange pulsen).

Bij gebruik van deze resonatoren, wetenschappers zijn vooral geïnteresseerd in de zogenaamde soliton "optische kammen" - gemaakt in resonatoren met een typisch kamvormig optisch spectrum waarin de afstand tussen twee aangrenzende pieken gelijk is aan de inverse tijd die het licht nodig heeft om de hele cirkel te maken. Dergelijke kammen kunnen worden gebruikt bij het oplossen van een aantal toegepaste problemen.

Het probleem is dat het voorkomen van bruikbare kammen in een resonator op basis van magnesiumfluoride (MgF ₂ ) of fused silica wordt in verband gebracht met een aantal schadelijke effecten. Deze omvatten de zogenaamde combinatorische of Raman-verstrooiing. Het wordt veroorzaakt door oscillaties van afzonderlijke moleculen in een stof. Na het bereiken van het oppervlak van een dergelijke stof, licht wordt opnieuw uitgezonden met een andere golflengte. Het effect heeft een drempel, afhankelijk van de intensiteit van de straling en de samenstelling van de stof, en veroorzaakt de vernietiging van solitonen en spectrumvervorming. Wetenschappers duiken meestal niet diep in de aard van dit effect bij het maken van vergelijkingen die effecten in microresonatoren beschrijven, en pas enkele correcties toe op vergelijkingen. In de nieuwe krant het team van onderzoekers bestudeerde de aard van dit effect en ontwikkelde nieuwe vergelijkingen die het genereren van optische kammen beschrijven, rekening houdend met Raman-verstrooiing. Het systeem van vergelijkingen kan worden gebruikt voor numerieke simulatie van de effecten die optreden in optische resonatoren.

"We gebruikten deze vergelijkingen om het gedrag van licht in resonatoren met afwijkende dispersie te controleren en verkregen eerder bekende effecten. Dus, we hebben onze theorie getest, " legde professor Gorodetsky uit. "Daarna hebben we het toegepast op kammen met een normale spreiding die platicons (pulsen met plateauvormige spectrumpieken) hebben in plaats van solitonen."

Met het nieuwe model konden de wetenschappers een aantal voorheen onbekende effecten voorspellen, bijvoorbeeld, wanneer reguliere dispersiepulsen sterk worden vervormd als gevolg van Raman-verstrooiing, worden ze vernietigd, beginnen te splitsen, enz. De nieuwe wiskundige hulpmiddelen zijn belangrijk voor wetenschappers om te begrijpen hoe optische kammen kunnen worden verkregen in omgevingen met regelmatige verspreiding. Verwacht wordt dat verdere experimenten de conclusies over het voorbeeld van platicons zullen bewijzen.

"Momenteel, er zijn maar een paar laboratoria in de wereld die solitonkammen bestuderen. Samen met onze Zwitserse collega's, wij waren de eersten om ze te demonstreren. Ze worden veel gebruikt, in het bijzonder bij zeer nauwkeurige spectroscopie, om de snelheid van informatie-uitwisseling te verhogen, in telecomnetwerken, en in LIDAR, " legde Gorodetsky uit. "Enige tijd geleden, Duitse wetenschappers gebruikten optische kammen om de vorm van een bewegende kogel nauwkeurig te bepalen en slaagden erin te zien hoe deze verandert door luchtweerstand."

Optische kammen bieden vooruitzichten voor het ontwikkelen van optische oscillatoren op basis van slechts één chip en die licht uitstralen met elke vooraf ingestelde frequentie, wat voor moderne lasers en andere generatoren onmogelijk is. Bovendien, ze kunnen dienen als basis voor spectrometers van het zaktype om de samenstelling van stoffen te analyseren. Momenteel, deze taak vereist behoorlijk enorme apparaten.