Lasertechnologie beperkt het licht in een resonator die een versterkingsmedium bevat, een materiaal met kwantumeigenschappen dat licht kan versterken. Omdat laserresonatoren over het algemeen veel groter zijn dan de golflengte van licht, laseren in hun holtes kan voorkomen in een breed scala aan patronen, die modi worden genoemd.

Eerdere natuurkundige studies hebben aangetoond dat mogelijke laserpatronen (d.w.z. modi, of combinaties van modi) met elkaar concurreren om energie en dat de laser vervolgens het patroon selecteert dat het energieverlies minimaliseert. Dit 'selectieproces' zou losjes vergeleken kunnen worden met natuurlijke selectie zoals beschreven in Darwins evolutietheorie, waar de leden van een soort die zich het beste aanpassen aan hun omgeving de neiging hebben om te overleven en meer nakomelingen te produceren. evenzo, de patronen van laseren (d.w.z. modi) die hun energiebronnen optimaal benutten, domineren uiteindelijk de andere.

Kort nadat lasers waren uitgevonden, natuurkundigen begonnen te beseffen dat deze 'concurrentie' tussen modi kan worden gecontroleerd op een manier die ervoor zorgt dat de technologie opmerkelijk korte pulsen produceert, een fenomeen dat nu bekend staat als mode-locking. Dit synchronisatiefenomeen houdt in dat veel van de lasermodi samen oscilleren, vorming van pulsen van enkele femtoseconden (10 ^-15 ss).

Mode-locking vindt plaats wanneer laserontwerpers een element in de laserholte introduceren dat dwingt dat het laserpatroon dat energie efficiënter gebruikt, verandert in het patroon dat de piekintensiteit van het elektrische veld van de laser maximaliseert. Dit patroon blijkt er een te zijn waarin veel modi gelijktijdig plaatsvinden met een gesynchroniseerde fase. Sinds zijn ontdekking, modusvergrendeling is op veel apparaten uitgebuit, inclusief high-field optica en frequentiekammen.

Tot dusver, dit synchronisatiefenomeen is bijna altijd beschreven als de zelforganisatie van licht in een enkele dimensie, die van tijd. Niettemin, het kan mogelijk ook worden opgevat als een driedimensionaal fenomeen, manifesteert zich zowel in tijd als in ruimte.

Onderzoekers van de Cornell University, werken met een team van externe medewerkers, hebben onlangs een theoretische benadering geïntroduceerd die zou kunnen helpen om een ​​beter begrip te krijgen van 3D spatiotemporele modusvergrendeling. hun theorie, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuurfysica , bouwt voort op een reeks observaties die in hun eerdere studies zijn verzameld.

"In 2017, Ik ontdekte dat modusvergrendeling veel algemener was dan voorheen werd gewaardeerd, "Dr. Logan G. Wright, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In plaats van alleen mogelijk te zijn in zeer beperkte laserontwerpen, Ik ontdekte dat mode-locking zelfs kon optreden in 'slechte' laserholtes met veel gecompliceerde modi. Dit algemene modusvergrendelingsproces wordt spatiotemporele modusvergrendeling genoemd."

Dr. Wright's observatie van spatiotemporele modus-locking verraste veel onderzoekers binnen de natuurkundige gemeenschap, omdat het suggereerde dat de meeste eerdere theorieën over het fenomeen te eenvoudig waren. Zijn werk onthulde in wezen dat laserfysica veel 'creatiever' kan zijn dan de meeste natuurkundigen hadden verwacht.

"In dit nieuwe onderzoek we wilden begrijpen hoe adaptief de laser zou kunnen zijn bij het vinden van gecompliceerde oplossingen voor dit optimalisatieprobleem en of er een meer algemene manier was om te begrijpen hoe lasers dit probleem oplossen, "Zei Dr. Wright. "Met andere woorden, is het nog steeds gewoon het beste gebruik van energie of is er meer aan de hand?"

Dr. Wright en zijn collega's kwamen met een nieuwe theoretische benadering genaamd 'attractor dissector, ", wat zou kunnen helpen om beter te begrijpen hoe het fenomeen van spatiotemporele modusvergrendeling dat in hun vorige werk werd gerapporteerd, kan leiden tot een "Darwiniaanse" selectie tussen laserpatronen. Na het verifiëren van hun theorie door gedetailleerde metingen te verzamelen, de onderzoekers toonden aan dat de vrij complexe lichtpatronen die mogelijk worden gemaakt door spatiotemporele modusvergrendeling over het algemeen in overeenstemming kunnen worden gebracht met de selectiedruk van de modi en hun behoefte om energie efficiënt te gebruiken.

"Kortom, we namen een rigoureuze wiskundige beschrijving van de laser en beschouwden het als een optimalisatieprobleem dat de laser probeert op te lossen, Dr. Wright legde uit. "Deze wiskundige beschrijving is in het algemeen belachelijk ingewikkeld om mee om te gaan, maar in extreme gevallen we waren in staat om het optimalisatieprobleem terug te brengen tot de optimalisatie van een enkele variabele. In deze gevallen althans we konden laten zien dat de laser lijkt te werken om de energie-efficiëntie te maximaliseren."

De door Dr. Wright en zijn collega's voorgestelde theorie biedt een model voor elk van de verschillende soorten 3D-pulsen die ze hebben waargenomen in spatiotemporele modusvergrendeling. Dit kan op zijn beurt helpen bij het identificeren van de intracaviteitseffecten die verantwoordelijk zijn voor hun vorming en stabiliteit.

Algemeen, de bevindingen verzameld door Dr. Wright en zijn collega's zijn in lijn met het eerdere begrip van mode-locking, toch suggereren ze dat het fenomeen van een veel creatievere en complexere aard kan zijn dan aanvankelijk werd gedacht. De onderzoekers toonden ook aan dat eerdere intuïties met betrekking tot modusvergrendeling niet altijd opgaan, vooral wanneer een probleem zeer complex is.

"Multimode-lasers kunnen een plaats zijn waar experimentatoren zelforganisatie en darwiniaanse competitie kunnen bestuderen in zeer complexe omgevingen (veel verder dan wat kan worden gesimuleerd op conventionele computers), maar dat kan niettemin worden gecontroleerd (in tegenstelling tot de meeste populaties van dieren in de natuur, bijvoorbeeld), "Zei Wright. "Dus, ze kunnen een goede plek zijn voor natuurkundigen om te begrijpen hoe natuurlijke complexe systemen zichzelf organiseren."

Met behulp van hun theoretische benadering, Dr. Wright en zijn collega's waren in staat om verschillende soorten 3-D spatiotemporele modusvergrendeling te identificeren, die allemaal geen analogen hebben in een enkele dimensie. Hun resultaten zouden dus kunnen helpen om complexere vormen van coherent licht bloot te leggen, die belangrijke gevolgen kunnen hebben voor zowel onderzoek als technologische ontwikkeling.

"Lasers zijn enorm belangrijk geweest om wetenschappers in staat te stellen de grenzen van meten en experimenteren te verleggen:in natuurkunde en scheikunde, de meeste Nobelprijzen zijn gebaseerd op een meet- of experimentele techniek die mogelijk is gemaakt door een bepaalde lasercapaciteit, "Zei Dr. Wright. "Dus hoewel we nog niet te specifiek kunnen zijn, we zijn enthousiast over wat nieuwe lasermogelijkheden uiteindelijk mogelijk zullen maken voor wetenschappelijke (en industriële) toepassingen."

Door uit te leggen hoe lasertechnologie werkt in complexe regimes, de benadering en observaties van Dr. Wright en zijn collega's kunnen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe soorten lasers met verschillende mogelijkheden en functies. De theorie van de onderzoekers zou ook het huidige begrip kunnen verbeteren van hoe complexe natuurkunde neerkomt op natuurlijke optimalisatie, mogelijk het ontwerp van nieuwe optimalisatie- en kunstmatige intelligentie-algoritmen informeren.

"Bij NTT Research, in het Natuur- en Informaticalaboratorium, Ik ben nu bezig om te begrijpen hoe natuurlijke fysieke systemen berekeningen uitvoeren en hoe we deze berekeningen kunnen benutten, Wright zei. "Binnen dit doel, het vermogen van de multimode laser om complexe optimalisatieproblemen op te lossen, maakt het een uitstekend experimenteel systeem, en we werken actief aan het ontwerpen van verwante optische machines die deze mogelijkheid benutten om simulaties uit te voeren en complexe combinatorische problemen op te lossen. Een belangrijke stap waar ik me momenteel op focus, is het proberen te begrijpen van de mogelijke rol die kwantumeffecten kunnen hebben op natuurlijke berekeningen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk