모드 고정 레이저는 지속 시간이 펨토초에서 피코초에 이르는 매우 짧은 빛 펄스를 생성하는 고급 레이저입니다. 이 레이저는 초고속 및 비선형 광학 현상을 연구하는 데 널리 사용되지만 다양한 기술 응용 분야에도 유용한 것으로 입증되었습니다.
캘리포니아 연구소의 연구원들 Technology 최근 토폴로지 현상을 연구하기 위한 플랫폼으로서 모드 고정 레이저의 잠재력을 탐구해 왔습니다. 그들의 논문은 자연 물리에서는 다양한 잠재적 응용 분야를 통해 새로운 비 에르미트 위상 물리학을 연구하고 실현하기 위한 이러한 레이저의 잠재력을 간략하게 설명합니다.
"광소자에 대한 토폴로지 견고성과 토폴로지 보호를 활용하려는 아이디어는 지난 10년 동안 상당한 주목을 받았지만 그러한 동작이 상당한 실질적인 이점을 제공할 수 있는지 여부는 여전히 불분명합니다."라고 해당 논문의 주저자인 Alireza Marandi가 Phys.org에 말했습니다.
“우리는 기능이 본질적으로 비선형인 레이저 및 비선형 광소자에 대해 특별히 이 질문을 탐구해 왔습니다. 덧붙여서, 위상 물리학 분야도 위상수학과 비선형성의 상호 작용을 중심으로 발전하고 있으며 그러한 탐구를 위한 실험 플랫폼은 상대적으로 드물습니다."
Marandi와 그의 동료들의 최근 연구 목표는 두 가지였습니다. 한편으로 그들은 비선형 위상 거동 연구를 위한 새로운 기회를 열고자 하는 한편, 다른 한편으로는 모드 고정 레이저에서 위상 물리학의 실제 적용 범위를 넓히고자 했습니다.
Marandi는 “실험적 관점에서 볼 때 우리 플랫폼은 긴 공진기의 많은 동기화된 펄스로 구성된 시간 다중 공진기 네트워크입니다.”라고 설명했습니다. “펄스는 정밀한 지연 라인을 사용하여 제어 가능한 방식으로 서로 결합될 수 있습니다. 이를 통해 상당한 유연성을 갖춘 대규모 공진기의 프로그래밍 가능한 네트워크를 생성할 수 있습니다. 다른 플랫폼에서는 쉽지 않은 일이다.”
2022년에 발표된 이전 논문에서 연구자들은 대규모 광자 공진기, 특히 선형 영역에서 위상 현상을 탐구했습니다. 새로운 연구의 일환으로 그들은 동일한 공진기를 사용하여 결합 모드 잠금 레이저를 구현했습니다.
연구팀은 이러한 레이저에 의해 생성된 펄스 패턴이 에르미트가 아닌 현상과 위상학적 현상의 이점을 얻을 수 있음을 보여주었습니다. 본질적으로 그들은 긴 공동, 다중 펄스, 모드 고정 레이저를 만들고 내부에 매듭을 도입했습니다(즉, 위상학적 방식으로 펄스를 결합함).
Marandi는 "우리의 실험적 접근 방식의 유연성 덕분에 토폴로지와 레이저 모드 잠금의 교차점을 연구하고 이전에 광자 시스템에서 입증되지 않았던 비 에르미트 토폴로지 물리학을 실현할 수 있었습니다."라고 말했습니다.
“예를 들어, 우리는 비 에르미트 토폴로지(non-Hermitian topology)와 우리 시스템의 비선형 동역학 사이의 시너지 효과가 모드 잠금 레이저에서 피부 모드를 자발적으로 생성한다는 것을 발견했습니다. 이는 스킨 모드를 외부 소스로 조사해야 하는 선형 비-에르미트 토폴로지 시스템과 극명한 대조를 이룹니다.”
Marandi와 그의 동료들의 최근 연구는 지금까지 실험적으로 접근하기 어려웠던 위상 물리학 연구를 위한 모드 고정 레이저의 가능성을 보여줍니다. 또한 그들의 연구는 새로운 감지, 컴퓨팅 및 통신 기술 개발을 위한 모드 잠금 레이저의 사용에 영감을 줄 수 있습니다.
더욱이, 실험에서 연구원들은 장애로 인한 국소화에 대해 무작위로 움직이는 입자의 거동을 연구하는 데 사용되는 수학적 모델(하타노-넬슨 모델)의 견고성을 확인하기 위해 개발한 레이저를 사용했습니다. 이 모델은 이전에 널리 연구되었지만 모드 잠금 광자 플랫폼에서는 아직 시연되지 않았습니다.
"이 실현과 관련하여 우리는 장애로 인한 위치 파악에 대한 Hatano-Nelson 모델의 견고성과 이것이 견고한 주파수 빗 소스의 설계를 가능하게 하는 방법을 추가로 조사했습니다."라고 Marandi는 말했습니다. "일반적으로 무언가에 대한 이러한 견고성은 다른 것에 대한 민감성으로 이어집니다."
다음 연구에서 Marandi와 그의 동료들은 향상된 감도를 가진 센서로서 Hatano-Nelson 모델의 사용을 조사하기 위해 자신들의 접근 방식을 사용하려고 노력할 것입니다. 또한 그들은 이번 연구가 다른 팀에게 모드 고정 레이저를 사용하여 위상학적 물리적 현상을 연구하는 실험을 하도록 영감을 주기를 바라고 있습니다.
"우리는 또한 우리 플랫폼이 쉽게 접근할 수 없는 대규모의 비선형 위상학적 및 비에르미트 현상을 탐구하기 위한 비옥한 기반이 될 수 있다고 믿습니다."라고 Marandi는 덧붙였습니다. "우리가 관심을 갖고 있는 사례 중 하나는 솔리톤 형성과 위상학적 행동의 상호작용입니다."