Om chaos te temmen in krachtige halfgeleiderlasers, wat instabiliteit veroorzaakt, wetenschappers hebben een ander soort chaos geïntroduceerd.

Krachtige halfgeleiderlasers worden gebruikt bij materiaalverwerking, biomedische beeldvorming en industrieel onderzoek, maar het uitgestraalde licht dat ze produceren wordt beïnvloed door instabiliteiten, onsamenhangend maken.

De instabiliteiten in de laser worden veroorzaakt door optische filamenten; lichte structuren die willekeurig bewegen en met de tijd veranderen, chaos veroorzaken. Het verwijderen van deze instabiliteiten is al lang een doel in de natuurkunde, maar eerdere strategieën om filamenten te verminderen, hadden meestal betrekking op het verminderen van het vermogen van de laser.

Dit betekent dat het niet langer kan worden gebruikt voor veel praktische toepassingen met hoog vermogen, zoals in ultraheldere 3D-laserbioscopen of als elementen in extreem heldere lasersystemen die worden gebruikt in fusiereactoren.

In plaats daarvan, onderzoekers moesten kiezen tussen een krachtige halfgeleiderlaser met een slechte uitvoerkwaliteit en een coherente maar veel minder krachtige laser.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van Imperial College London, Yale universiteit, Nanyang Technological University en Cardiff University hebben een nieuwe oplossing bedacht.

Hun techniek, vandaag gepubliceerd in Wetenschap , gebruikt 'quantum chaos' om de laserfilamenten te voorkomen, die tot de instabiliteiten leiden, van de vorming in de eerste plaats. Door kwantumchaos (golf) te creëren in de holte die is gebruikt om de laser te creëren, de laser zelf blijft stabiel.

Professor Ortwin Hess, van de afdeling natuurkunde van Imperial, een groot deel van de theorie bijgedragen, simulatie en interpretatie van het nieuwe systeem. Hij zei:"De manier waarop de optische filamenten, die de laserinstabiliteit veroorzaken, groeien en weerstand bieden tegen controle lijkt voor de laser een beetje op het weerbarstige gedrag van tornado's. Zodra ze zich vormen, ze bewegen zich chaotisch, die in hun kielzog vernietiging veroorzaken.

"Echter, tornado's hebben meer kans zich te vormen en over vlak land te bewegen. Bijvoorbeeld, in Amerika komen ze vaak voor in het prachtige Oklahoma, maar niet zo vaak in het heuvelachtige West Virginia. De heuvels lijken een belangrijk verschil te zijn - ze voorkomen dat tornado's zich kunnen vormen of bewegen.

"Op dezelfde manier, door een 'heuvelachtig' optisch landschap in onze lasers te creëren met behulp van kwantumchaos, we laten niet toe dat de filamenten - onze optische tornado's - zich vormen of uit de hand lopen."

Het lasersysteem, vervaardigd aan de Nanyang Technological University in Singapore, is experimenteel bewezen aan de Yale University. Het team werkt nu aan het verder onderzoeken en afstemmen van de lichtemissie, zoals het verbeteren van de richting van de laser.

Ze zeggen echter dat de doorbraak halfgeleiderlasers al in staat zou moeten stellen om met een hoger vermogen en een hoge emissiekwaliteit te werken, en dat hetzelfde idee zou kunnen worden toegepast op andere soorten lasers.

Lasers zenden coherent licht uit dat in een strakke bundel kan worden gefocusseerd. Om het licht te produceren en te versterken, het wordt door speciale versterkingsmaterialen rond een holte gestuiterd. Echter, wanneer grote halfgeleiderlasers worden ingeschakeld, dit heen en weer stuiteren creëert filamenten - secties van het licht die snel chaotisch beginnen te werken.

Om een ​​ander soort chaos te creëren - het kwantumchaotische landschap - ontwierp het team een ​​nieuwe vorm van holte voor de laser. De meeste holtes zijn rechthoekig van vorm, maar door een D-vormige holte te gebruiken, het team was in staat om kwantumchaos te veroorzaken in het rondkaatsende licht.

Deze kwantumchaos werkt op een kleinere schaal dan de golflengte van het licht, het creëren van de optische 'heuvels' die helpen om de optische 'tornado's' te verdrijven.

Professor Hui Cao, van de Yale-universiteit, zei:"We gebruiken golfchaotische of ongeordende holtes om de vorming van zelfgeorganiseerde structuren zoals filamenten die tot instabiliteit leiden, te verstoren."

Het team kreeg inzicht in de processen en vormen van holtes die dit soort kwantumchaos kunnen creëren door theorieën en experimenten in nanofotonica en nanoplasmonica - door licht en metalen te bestuderen op schalen van miljardsten van een meter.

Professor Hess voegde toe:"Ik werk sinds mijn doctoraat aan ruimte-tijd- en kwantumdynamica in lasers, dus het is verheugend om er nu op terug te komen met de kennis die is opgedaan met nanofotonica en nanoplasmonica.

"De relatie werkt ook andersom - met systemen als deze kunnen we nieuwe inzichten bieden in nanofotonica en nanoplasmonica, en breng de nanowetenschap en lasergemeenschappen samen."