De natuur heeft een manier om optimale oplossingen te vinden voor complexe problemen. Bijvoorbeeld, ondanks de miljarden manieren waarop een enkel eiwit kan vouwen, eiwitten vouwen altijd op een manier die potentiële energie minimaliseert. Slijmschimmel, een hersenloos organisme, vindt altijd de meest efficiënte route naar een voedselbron, zelfs als er een obstakel is. Een springtouw, wanneer aan beide uiteinden vastgehouden, eindigt altijd in dezelfde vorm, een curve die bekend staat als bovenleiding.

Dit soort optimalisatie wordt verklaard door wat bekend staat als een variatieprincipe:elke andere vervorming - of variatie - van de vorm die door het eiwit wordt gevonden, schimmel of springtouw zou meer energie vergen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hebben ontdekt dat sommige lasers hetzelfde principe gebruiken. Het onderzoek is beschreven in Fysieke beoordelingsbrieven .

Frequentiekammen worden veel gebruikt, zeer nauwkeurige instrumenten voor het meten en detecteren van verschillende frequenties, ook wel bekend als kleuren - van licht. In tegenstelling tot conventionele lasers, die een enkele frequentie uitzenden, deze lasers zenden meerdere frequenties in lockstep uit, gelijkmatig verdeeld om op de tanden van een kam te lijken.

Wanneer een laser een frequentiekam produceert, het zendt lichtgolven uit die zich periodiek in de tijd herhalen. Afhankelijk van de parameters van de kam, deze golven kunnen ofwel een constante intensiteit hebben terwijl ze in kleur variëren, of eruit zien als korte lichtpulsen die toenemen en in intensiteit afnemen.

Onderzoekers weten hoe kammen pulsen produceren, maar hoe zogenaamde frequentiegemoduleerde lasers een constante intensiteit kunnen behouden in het licht van veranderende frequenties, is een langdurige puzzel geweest.

Het team van onderzoekers, onder leiding van Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering, in staat waren om op een tijdschaal van een biljoenste van een seconde de golfvorm te reconstrueren die wordt uitgezonden door lichtbronnen die bekend staan ​​als kwantumcascadelasers, veel gebruikt in spectroscopie en sensing. Ze ontdekten dat de lasers ervoor kiezen om lichtgolven uit te zenden op een manier die niet alleen de intensiteitsfluctuaties onderdrukt - wat leidt tot een constante intensiteit in de tijd - maar ook het uitgangsvermogen maximaliseert.

"We ontdekten dat een frequentiegemoduleerde laser zelf parameters kan aanpassen, vergelijkbaar met een DJ-draaiknop op een muzieksynthesizer, om fluctuaties van de uitgezonden intensiteitsgolf te minimaliseren, " zei Marco Piccardo, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel. "Al deze knoppen op de juiste manier draaien is geen gemakkelijke taak. Bij het produceren van een bijna vlakke intensiteitsgolfvorm, de frequentiegemoduleerde laser heeft een complex optimalisatieprobleem opgelost, presteren net als een analoge computer."

"Deze ontdekking ontrafelt de fysica van een veelbelovende frequentiekamtechnologie, "zei Capasso. "Profiterend van een minimale intensiteitsmodulatie aan de laseruitgang, deze apparaten kunnen wedijveren met conventionele ultrakorte pulsmodus-vergrendelde lasers in spectroscopietoepassingen."