Modengekoppelte Laser sind fortschrittliche Laser, die sehr kurze Lichtimpulse mit einer Dauer von Femtosekunden bis Pikosekunden erzeugen. Diese Laser werden häufig zur Untersuchung ultraschneller und nichtlinearer optischer Phänomene eingesetzt, haben sich aber auch für verschiedene technologische Anwendungen als nützlich erwiesen.
Forscher am California Institute of Technologie haben kürzlich das Potenzial modengekoppelter Laser als Plattformen zur Untersuchung topologischer Phänomene untersucht. Ihr Artikel, veröffentlicht in Naturphysik, skizziert das Potenzial dieser Laser für die Untersuchung und Umsetzung neuer nicht-hermitescher topologischer Physik mit verschiedenen möglichen Anwendungen.
„Die Idee, topologische Robustheit und topologischen Schutz für photonische Geräte zu nutzen, hat im letzten Jahrzehnt erhebliche Aufmerksamkeit erregt, doch ob solche Verhaltensweisen wesentliche praktische Vorteile bieten können, bleibt unklar“, sagte Alireza Marandi, Hauptautorin des Artikels, gegenüber Phys.org.
„Wir haben diese Frage speziell für Laser und nichtlineare photonische Geräte untersucht, deren Funktionalitäten von Natur aus nichtlinear sind. Übrigens dreht sich auch das Gebiet der topologischen Physik um das Zusammenspiel von Topologie und Nichtlinearität, und die experimentellen Plattformen für solche Untersuchungen sind relativ spärlich.“
Das Ziel der aktuellen Studie von Marandi und seinen Kollegen war zweierlei. Einerseits wollten sie neue Möglichkeiten für die Untersuchung nichtlinearer topologischer Verhaltensweisen eröffnen, andererseits wollten sie die praktische Anwendung der topologischen Physik in modengekoppelten Lasern erweitern.
„Aus experimenteller Sicht ist unsere Plattform ein zeitmultiplextes Resonatornetzwerk, das aus vielen synchronisierten Impulsen in einem langen Resonator besteht“, erklärte Marandi. „Über präzise Verzögerungsleitungen können die Impulse kontrollierbar miteinander gekoppelt werden. Dadurch ist es uns möglich, ein programmierbares Netzwerk großräumiger Resonatoren mit erheblicher Flexibilität zu schaffen. Das ist auf anderen Plattformen nicht einfach.“
In einer früheren Arbeit aus dem Jahr 2022 untersuchten die Forscher topologische Phänomene in großräumigen photonischen Resonatoren, insbesondere im linearen Bereich. Im Rahmen ihrer neuen Studie verwendeten sie dieselben Resonatoren, um gekoppelte modengekoppelte Laser zu implementieren.
Das Team zeigte, dass das von diesen Lasern erzeugte Pulsmuster von nicht-hermiteschen und topologischen Phänomenen profitieren kann. Im Wesentlichen schufen sie einen modengekoppelten Multipulslaser mit langem Resonator und führten einen Knoten in ihn ein (d. h. indem sie seine Pulse auf topologische Weise koppelten).
„Die Flexibilität unseres experimentellen Ansatzes ermöglichte es uns, sowohl die Schnittstelle zwischen Topologie und Lasermodenkopplung zu untersuchen als auch nicht-hermitesche topologische Physik zu realisieren, die zuvor in photonischen Systemen nicht demonstriert wurde“, sagte Marandi.
„Wir haben zum Beispiel herausgefunden, dass die Synergie zwischen der nicht-hermiteschen Topologie und der nichtlinearen Dynamik unseres Systems spontan Hautmoden in unserem modengekoppelten Laser erzeugt. Dies steht in krassem Gegensatz zu linearen nicht-hermiteschen topologischen Systemen, bei denen Hautmoden mit einer externen Quelle untersucht werden müssen.“
Diese aktuelle Arbeit von Marandi und seinen Mitarbeitern zeigt, wie vielversprechend modengekoppelte Laser für die Untersuchung der topologischen Physik sind, die bisher experimentell nur schwer zugänglich waren. Darüber hinaus könnte ihre Studie den Einsatz modengekoppelter Laser für die Entwicklung neuer Sensor-, Computer- und Kommunikationstechnologien inspirieren.
Darüber hinaus verwendeten die Forscher in ihren Experimenten den von ihnen entwickelten Laser, um die Robustheit eines mathematischen Modells zu bestätigen, das zur Untersuchung des Verhaltens zufällig bewegter Teilchen, bekannt als Hatano-Nelson-Modell, gegenüber störungsbedingter Lokalisierung verwendet wird. Obwohl dieses Modell bereits umfassend untersucht wurde, wurde es noch nicht auf einer modengekoppelten photonischen Plattform demonstriert.
„Speziell für diese Erkenntnis haben wir die Robustheit des Hatano-Nelson-Modells gegenüber störungsbedingter Lokalisierung weiter untersucht und wie es den Entwurf robuster Frequenzkammquellen ermöglichen könnte“, sagte Marandi. „Typischerweise folgt auf diese Art der Robustheit gegenüber etwas eine Sensibilität gegenüber etwas anderem.“
In ihren nächsten Studien werden Marandi und seine Kollegen versuchen, mit ihrem Ansatz die Verwendung des Hatano-Nelson-Modells als Sensor mit erhöhter Empfindlichkeit zu untersuchen. Darüber hinaus hoffen sie, dass ihre Studie andere Teams dazu inspirieren wird, mit dem Einsatz modengekoppelter Laser zur Untersuchung topologischer physikalischer Phänomene zu experimentieren.
„Wir glauben auch, dass unsere Plattform ein fruchtbarer Boden für die Erforschung einer großen Menge nichtlinearer topologischer und nicht-hermitescher Phänomene sein kann, die nicht leicht zugänglich sind“, fügte Marandi hinzu. „Ein Beispiel, das uns interessiert, ist das Zusammenspiel von Solitonenbildung und topologischem Verhalten.“