Laser dengan mode terkunci adalah laser canggih yang menghasilkan pulsa cahaya sangat singkat, dengan durasi mulai dari femtodetik hingga pikodetik. Laser ini banyak digunakan untuk mempelajari fenomena optik ultracepat dan nonlinier, namun juga terbukti berguna untuk berbagai aplikasi teknologi.
Para peneliti di California Institute of Teknologi baru-baru ini mengeksplorasi potensi laser dengan mode terkunci sebagai platform untuk mempelajari fenomena topologi. Makalah mereka, diterbitkan di Fisika Alam, menguraikan potensi laser ini untuk mempelajari dan mewujudkan fisika topologi non-Hermitian baru, dengan berbagai potensi penerapan.
“Ide memanfaatkan ketahanan topologi dan perlindungan topologi untuk perangkat fotonik telah menarik perhatian besar dalam dekade terakhir, namun apakah perilaku tersebut dapat memberikan manfaat praktis yang besar masih belum jelas,” Alireza Marandi, penulis utama makalah tersebut, mengatakan kepada Phys.org.
“Kami telah mengeksplorasi pertanyaan ini secara khusus untuk laser dan perangkat fotonik nonlinier yang fungsinya pada dasarnya nonlinier. Kebetulan, bidang fisika topologi juga berkembang akibat interaksi antara topologi dan nonlinier, dan platform eksperimental untuk eksplorasi semacam itu relatif jarang.”
Penelitian terbaru yang dilakukan Marandi dan rekan-rekannya mempunyai tujuan ganda. Di satu sisi, mereka ingin membuka peluang baru untuk mempelajari perilaku topologi nonlinier, sementara di sisi lain, mereka ingin memperluas penerapan praktis fisika topologi dalam laser yang dikunci mode.
“Dari perspektif eksperimental, platform kami adalah jaringan resonator multipleks waktu, yang terdiri dari banyak pulsa tersinkronisasi dalam resonator panjang,” jelas Marandi. “Denyut nadi dapat digabungkan satu sama lain dengan cara yang dapat dikontrol menggunakan garis penundaan yang tepat. Hal ini memungkinkan kami membuat jaringan resonator skala besar yang dapat diprogram dengan fleksibilitas yang besar. Ini tidak mudah di platform lain.”
Dalam makalah sebelumnya yang diterbitkan pada tahun 2022, para peneliti mengeksplorasi fenomena topologi dalam resonator fotonik skala besar, namun khususnya dalam rezim linier. Sebagai bagian dari studi baru mereka, mereka menggunakan resonator yang sama untuk menerapkan laser mode-terkunci berpasangan.
Tim menunjukkan bahwa pola denyut yang dihasilkan oleh laser ini dapat memanfaatkan fenomena non-Hermitian dan topologi. Pada dasarnya, mereka menciptakan laser dengan mode terkunci dengan rongga panjang, multi-pulsa, dan memasukkan simpul di dalamnya (yaitu, menggabungkan pulsa secara topologi).
“Fleksibilitas pendekatan eksperimental kami memungkinkan kami mempelajari persimpangan topologi dan penguncian mode laser dan mewujudkan fisika topologi non-Hermitian yang sebelumnya belum pernah didemonstrasikan dalam sistem fotonik,” kata Marandi.
“Misalnya, kami menemukan bahwa sinergi antara topologi non-Hermitian dan dinamika nonlinier sistem kami secara spontan menghasilkan mode kulit pada laser yang dikunci mode kami. Hal ini sangat kontras dengan sistem topologi non-Hermitian linier, di mana mode kulit harus diselidiki dengan sumber eksternal.”
Karya terbaru Marandi dan kolaboratornya menunjukkan potensi laser dengan mode terkunci untuk mempelajari fisika topologi yang sejauh ini sulit diakses secara eksperimental. Selain itu, penelitian mereka dapat menginspirasi penggunaan laser dengan mode terkunci untuk mengembangkan teknologi penginderaan, komputasi, dan komunikasi baru.
Selain itu, dalam eksperimen mereka, para peneliti menggunakan laser yang mereka kembangkan untuk mengkonfirmasi kekokohan model matematika yang digunakan untuk mempelajari perilaku partikel yang bergerak secara acak, yang dikenal sebagai model Hatano-Nelson, terhadap lokalisasi yang disebabkan oleh gangguan. Meskipun model ini telah dipelajari secara luas sebelumnya, model ini belum didemonstrasikan pada platform fotonik dengan mode terkunci.
“Khusus pada realisasi ini, kami mengeksplorasi lebih jauh ketangguhan model Hatano-Nelson terhadap lokalisasi yang disebabkan oleh gangguan dan bagaimana model ini memungkinkan perancangan sumber sisir frekuensi yang kuat,” kata Marandi. “Biasanya, ketahanan terhadap sesuatu seperti ini diikuti dengan kepekaan terhadap hal lain.”
Dalam studi berikutnya, Marandi dan rekan-rekannya akan mencoba menggunakan pendekatan mereka untuk menyelidiki penggunaan model Hatano-Nelson sebagai sensor dengan sensitivitas yang ditingkatkan. Selain itu, mereka berharap penelitian mereka akan menginspirasi tim lain untuk bereksperimen dengan penggunaan laser mode-locked untuk mempelajari fenomena fisik topologi.
“Kami juga percaya bahwa platform kami dapat menjadi lahan subur untuk mengeksplorasi sejumlah besar fenomena topologi nonlinier dan non-Hermitian yang tidak mudah diakses,” tambah Marandi. “Salah satu contoh yang menarik bagi kami adalah interaksi antara formasi soliton dan perilaku topologi.”