モードロック レーザーは、フェムト秒からピコ秒の範囲の持続時間を持つ非常に短い光パルスを生成する高度なレーザーです。これらのレーザーは、超高速および非線形光学現象の研究に広く使用されていますが、さまざまな技術的応用にも役立つことが証明されています。
カリフォルニア大学の研究者 テクノロジー 彼らは最近、トポロジカル現象を研究するためのプラットフォームとしてのモードロックレーザーの可能性を研究しています。彼らの論文は、 自然物理学では、新しい非エルミート位相物理学を研究および実現するためのこれらのレーザーの可能性と、さまざまな潜在的な用途を概説します。
「トポロジカルな堅牢性とトポロジカルな保護をフォトニックデバイスに利用するというアイデアは、過去10年間でかなりの注目を集めてきたが、そのような動作が実質的な実用的な利点をもたらすかどうかは依然として不明である」と論文の筆頭著者であるアリレザ・マランディ氏はPhys.orgに語った。
「私たちは、機能が本質的に非線形であるレーザーや非線形フォトニックデバイスに特化して、この問題を調査してきました。ちなみに、トポロジー物理学の分野もトポロジーと非線形性の相互作用を中心に進化しており、そのような探索のための実験プラットフォームは比較的少ないです。」
マランディと彼の同僚による最近の研究の目標は 2 つありました。一方では、彼らは非線形トポロジカル挙動の研究に新たな機会を開くことを望んでおり、他方では、モードロックレーザーにおけるトポロジカル物理学の実際の応用を拡大したいと考えていました。
「実験的な観点から見ると、私たちのプラットフォームは時間多重共振器ネットワークであり、長い共振器内の多くの同期パルスで構成されています」とマランディ氏は説明しました。 「正確な遅延線を使用して、制御可能な方法でパルスを相互に結合できます。これにより、大幅な柔軟性を備えた大規模共振器のプログラム可能なネットワークを作成できるようになります。他のプラットフォームではこれは簡単ではありません。」
2022年に発表された初期の論文では、研究者らは大規模なフォトニック共振器、特に線形領域におけるトポロジカル現象を調査した。新しい研究の一環として、彼らは同じ共振器を使用して結合モードロックレーザーを実装しました。
研究チームは、これらのレーザーによって生成されるパルス パターンが非エルミート現象やトポロジカル現象の恩恵を受ける可能性があることを示しました。基本的に、彼らは長共振器、マルチパルス、モードロックレーザーを作成し、その内部に結び目を導入しました（つまり、そのパルスをトポロジカルに結合しました）。
「私たちの実験的アプローチの柔軟性により、トポロジーとレーザーモードロックの交差点を研究し、これまでフォトニックシステムでは実証されていなかった非エルミートトポロジー物理学を実現することができました」とマランディ氏は述べた。
「たとえば、非エルミート トポロジーとシステムの非線形ダイナミクスの間の相乗効果により、モードロック レーザーでスキン モードが自発的に生成されることがわかりました。これは、皮膚モードを外部ソースで調査する必要がある線形非エルミート位相システムとはまったく対照的です。」
マランディと彼の共同研究者らによるこの最近の研究は、これまで実験的にアクセスすることが困難であったトポロジカル物理の研究にモードロックレーザーが期待できることを実証しています。さらに、彼らの研究は、新しいセンシング、コンピューティング、通信技術の開発のためのモードロックレーザーの使用を刺激する可能性があります。
さらに、実験では、研究者らは開発したレーザーを使用して、ハタノ・ネルソンモデルとして知られる、ランダムに移動する粒子の挙動を研究するために使用される数学的モデルが、無秩序によって引き起こされる局在化に対して堅牢であることを確認しました。このモデルはこれまで広く研究されてきましたが、モードロックされたフォトニック プラットフォームではまだ実証されていませんでした。
「この実現に特化して、私たちは無秩序による局在化に対する波多野・ネルソンモデルの堅牢性と、それが堅牢な周波数コム音源の設計をどのように可能にするかをさらに調査しました」とマランディ氏は述べた。 「通常、何かに対するこの種の頑強さの後には、他の何かに対する敏感さが続きます。」
マランディ氏らは次の研究で、感度を高めたセンサーとしてのハタノ・ネルソンモデルの使用を調査するアプローチを試みる予定だ。さらに、彼らは自分たちの研究が他のチームにモードロックレーザーを使ってトポロジカル物理現象を研究する実験を促すきっかけになればと期待している。
「私たちはまた、私たちのプラットフォームが、簡単にはアクセスできない大量の非線形トポロジカル現象や非エルミート現象を探索するための肥沃な土壌になる可能性があると信じています」とマランディ氏は付け加えた。 「私たちが興味を持っている例の 1 つは、ソリトン形成とトポロジカルな動作の相互作用です。」