We hebben allemaal turbulente lucht en water ervaren, maar wist je dat licht ook turbulent kan zijn?

Een internationaal 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 aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), turbulentie in het licht hebben benut om een ​​specifiek type laser met hoge precisie te creëren, bekend als een laserfrequentiekam, in een systeem waarvan eerder werd gedacht dat het niet in staat was om zo'n laser te produceren. De ontdekking zou kunnen worden gebruikt in een nieuwe generatie apparaten voor toepassingen zoals optische spectroscopie en detectie.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur .

Frequentiekammen zijn veelgebruikte hulpmiddelen voor het detecteren en meten van verschillende lichtfrequenties met unieke precisie. 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. Vandaag, ze worden in alles gebruikt, van milieumonitoring en chemische detectie tot het zoeken naar exoplaneten, optische communicatie en zeer nauwkeurige metrologie en timing.

Capasso en zijn team bij SEAS hebben gewerkt om deze apparaten efficiënter en compacter te maken voor toepassingen zoals telecommunicatie en draagbare detectie.

in 2019, Capasso en zijn team hebben ontdekt hoe ze draadloze signalen van laserfrequentiekammen kunnen verzenden, het creëren van de eerste laser-radiozender. De onderzoekers gebruikten halfgeleidende kwantumcascadelasers in de vorm van zeer kleine Kit Kat-staven, die frequentiekammen genereerde door licht van begin tot eind te laten weerkaatsen. Dit weerkaatsende licht creëerde tegengesteld voortplantende golven die met elkaar interageren om de verschillende frequenties van de kam te genereren. Echter, deze apparaten straalden nog veel licht uit dat ongebruikt was in de radiocommunicatietoepassingen.

"Als we ingaan op dit onderzoek, onze belangrijkste vraag was hoe we een betere geometrie kunnen maken voor laserradio's, " zei Marco Piccardo, een voormalig postdoctoraal fellow bij SEAS en eerste auteur van het artikel.

Piccardo is momenteel onderzoeker aan het Istituto Italiano di Tecnologia in Milaan.

De onderzoekers wendden zich tot ringkwantumcascadelasers, die, door hun ronde vorm, kan een laser genereren met een zeer laag optisch verlies. Echter, ringlasers hebben een fundamenteel probleem als het gaat om het genereren van frequentiekammen:lichtstralen die zich in een perfecte cirkel voortplanten, planten zich slechts in één richting voort, met de klok mee of tegen de klok in, en kan daarom niet de tegengesteld voortplantende golven genereren die nodig zijn om een ​​kam te vormen. Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers brachten kleine defecten in de ringen aan en vergeleken de resultaten met een groep defectloze ringen.

Maar toen de onderzoekers het experiment uitvoerden, de resultaten verrasten iedereen.

De perfecte ringen, waarvan eerdere natuurkundige theorieën zeiden dat ze onmogelijk een frequentiekam konden genereren, gegenereerde frequentiekammen.

"Toen we dat zagen, we dachten dat dit geweldig voor ons was, omdat dit precies het soort licht is dat we zoeken, alleen hadden we niet verwacht het in dit specifieke experiment te vinden. Het succes leek in tegenspraak met de huidige lasertheorie, " zei Benedikt Schwarz, een onderzoeker aan de TU Wien in Wenen en co-auteur van de studie.

De onderzoekers probeerden uit te leggen hoe zo'n fenomeen kon ontstaan, en kwam uiteindelijk turbulentie tegen. In vloeistoffen, turbulentie treedt op wanneer een geordende vloeistofstroom uiteenvalt in steeds kleinere draaikolken die met elkaar interageren totdat het systeem uiteindelijk in chaos uiteenvalt. In het licht, dit neemt de vorm aan van golfinstabiliteiten, waarin een kleine storing steeds groter wordt en uiteindelijk de dynamiek van het systeem domineert.

De onderzoekers kwamen erachter dat kleine fluctuaties in de stroom die wordt gebruikt om de laser te pompen kleine instabiliteiten in de lichtgolven veroorzaakten, zelfs in een perfecte ringlaser. Die instabiliteiten groeiden en wisselden met elkaar af, net als in een turbulente vloeistof. Die interacties zorgden er vervolgens voor dat er een stabiele frequentiekam ontstond.

"We hebben niet alleen de geometrie van laserfrequentiekammen veranderd, we hebben een heel nieuw systeem ontdekt om deze apparaten te maken, en daarbij, herschikking van een fundamentele wet van lasers, ' zei Piccardo.

In de toekomst, deze apparaten kunnen worden gebruikt als elektrisch gepompte microresonatoren op geïntegreerde fotonische circuits. De huidige microresonatoren op chipschaal zijn passief, wat betekent dat energie van buitenaf optisch moet worden gepompt, het vergroten van de systeemomvang en -complexiteit. Maar de ringlaserfrequentiekam is actief, wat betekent dat het zijn eigen licht kan genereren door er gewoon elektrische stroom in te injecteren. Het biedt ook toegang tot gebieden van het elektromagnetische spectrum die niet worden gedekt door microresonatoren. Dit kan nuttig zijn in een reeks toepassingen, zoals optische spectroscopie en chemische detectie.

"Dit is een eerste zeer belangrijke stap in het verbinden van passieve microresonatoren met actieve frequentiekammen, "zei Capasso. "Het combineren van de voordelen van deze twee apparaten kan belangrijke fundamentele en technologische implicaties hebben."