Однако, прежде чем такие устройства смогут перейти от теории к реальности, инженеры должны найти способы сделать свои источники света – лазеры – меньше, сильнее и стабильнее. Роботы и автономные транспортные средства, которые используют LiDAR для оптического зондирования и определения расстояния, технологии производства и обработки материалов, в которых используются лазеры, и многие другие приложения, также постоянно расширяют область фотоники для более мощных и более эффективных лазерных источников.
Теперь команда исследователей из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета, опираясь на концепции, лежащие в основе теоретической физики, разработала и построила двумерные массивы плотно упакованных микролазеров, которые обладают стабильностью одного микролазера, но могут вместе достичь плотности мощности на порядки выше.
Теперь они опубликовали исследование, демонстрирующее их суперсимметричный микролазерный массив в журнале Science.
Исследованием руководили Лян Фэн, доцент кафедры материаловедения и инженерии, а также электротехники и системотехники, а также Синду Цяо, Бикашкали Мидья и Цзихэ Гао, члены его лаборатории. Они сотрудничали с другими сотрудниками лаборатории Фэн Чжифэн Чжан, Хаоци Чжао, Тяньвэй Ву и Цзеун Йим, а также с Ритешем Агарвалом, профессором кафедры материаловедения и инженерии. Наталья М. Литчиницер, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Дьюка, также внес свой вклад в исследование.
Чтобы сохранить информацию, обрабатываемую фотонным устройством, его лазеры должны быть исключительно стабильными и когерентными. Так называемые «одномодовые» лазеры устраняют зашумленные вариации в своих лучах и улучшают их когерентность, но в результате они более тусклые и менее мощные, чем лазеры, которые содержат несколько одновременных мод.
«Один, казалось бы, простой метод создания мощного одномодового лазера, – говорит Фенг, – состоит в том, чтобы соединить несколько идентичных одномодовых лазеров вместе, чтобы сформировать массив лазеров.
Интуитивно понятно, что эта лазерная матрица будет иметь повышенную мощность излучения, но из-за сложности, связанной с сопряженной системой, она также будет иметь несколько супермод.К сожалению, конкуренция между модами делает массив лазеров менее когерентным."
Соединение двух лазеров создает две супермоды, но это число увеличивается квадратично по мере того, как лазеры выстраиваются в двумерные сетки, предназначенные для фотонного зондирования и приложений LiDAR.
«Работа в одном режиме имеет решающее значение, – говорит Цяо, – потому что яркость и яркость массива лазеров увеличиваются с увеличением количества лазеров, только если все они синхронизированы по фазе в одном супермоде."
«Вдохновленные концепцией суперсимметрии из физики, – говорит он, – мы можем добиться такого вида одномодовой генерации с синхронизацией по фазе в лазерной матрице, добавив диссипативного суперпартнера.’"
В физике элементарных частиц суперсимметрия – это теория, согласно которой все элементарные частицы двух основных классов, бозонов и фермионов, имеют еще не открытого «суперпартнера» в другом классе.
Математические инструменты, которые предсказывают свойства гипотетического суперпартнера каждой частицы, также могут быть применены к свойствам лазеров.
По сравнению с элементарными частицами создание суперпартнера одного микролазера относительно просто. Сложность заключается в адаптации математических преобразований суперсимметрии для создания всего массива суперпартнеров, который имеет правильные уровни энергии, чтобы нейтрализовать все, кроме желаемого единственного режима оригинала.
До работы Фенга и его коллег лазерные массивы суперпартнеров могли быть только одномерными, с каждым из лазерных элементов, выровненных в ряд.
Решая математические соотношения, которые определяют направления, в которых отдельные элементы соединяются друг с другом, их новое исследование демонстрирует массив с пятью строками и пятью столбцами микролазеров.
«Когда суперсимметричный массив партнеров с потерями и исходный массив лазеров соединяются вместе, – говорит Гао, – все супермоды, кроме основной моды, рассеиваются, что приводит к одномодовой генерации с мощностью в 25 раз и более чем в 100 раз большей. удельная мощность исходного массива.
Мы предполагаем гораздо более резкое масштабирование мощности, применив нашу общую схему для гораздо большего массива даже в трех измерениях. Инженерия такая же."
Исследование исследователей также показывает, что их метод совместим с их более ранними исследованиями вихревых лазеров, которые могут точно контролировать орбитальный угловой момент или то, как лазерный луч вращается по спирали вокруг своей оси движения.
Возможность манипулировать этим свойством света может позволить фотонным системам кодироваться с еще более высокой плотностью, чем предполагалось ранее.
«Одномодовая генерация высокой мощности используется в широком спектре важных приложений, включая оптическую связь, оптическое зондирование и определение дальности с помощью LIDAR», – говорит Джеймс Джозеф, руководитель программы Исследовательского управления армии США.S. Лаборатория армейских исследований Командования развития боевых возможностей армии, которая поддержала это исследование. "Результаты исследований Penn знаменуют собой значительный шаг к созданию более эффективных и полевых лазерных источников."