Laser berkunci mod ialah laser lanjutan yang menghasilkan denyutan cahaya yang sangat singkat, dengan tempoh antara femtosaat hingga picosaat. Laser ini digunakan secara meluas untuk mengkaji fenomena optik ultrafast dan bukan linear, tetapi ia juga telah terbukti berguna untuk pelbagai aplikasi teknologi.
Penyelidik di California Institute of Teknologi baru-baru ini telah meneroka potensi laser terkunci mod sebagai platform untuk mengkaji fenomena topologi. Kertas kerja mereka, diterbitkan dalam Fizik Alam, menggariskan potensi laser ini untuk mengkaji dan merealisasikan fizik topologi bukan Hermitian baharu, dengan pelbagai aplikasi yang berpotensi.
"Idea untuk menggunakan keteguhan topologi dan perlindungan topologi untuk peranti fotonik telah menarik perhatian yang besar dalam dekad yang lalu, namun sama ada tingkah laku tersebut boleh memberikan manfaat praktikal yang besar masih tidak jelas," kata Alireza Marandi, pengarang utama kertas itu, kepada Phys.org.
"Kami telah meneroka soalan ini khusus untuk laser dan peranti fotonik tak linear di mana fungsinya sememangnya bukan linear. Secara kebetulan, bidang fizik topologi juga berkembang di sekitar interaksi topologi dan tidak linear dan platform eksperimen untuk penerokaan sedemikian agak jarang."
Matlamat kajian baru-baru ini oleh Marandi dan rakan-rakannya adalah dua kali ganda. Di satu pihak, mereka ingin membuka peluang baharu untuk mengkaji tingkah laku topologi tak linear, manakala di sisi lain, mereka ingin meluaskan aplikasi praktikal fizik topologi dalam laser terkunci mod.
"Dari perspektif eksperimen, platform kami ialah rangkaian resonator berbilang masa, yang terdiri daripada banyak denyutan yang disegerakkan dalam resonator panjang," jelas Marandi. “Denyutan boleh digandingkan antara satu sama lain dengan cara terkawal menggunakan garisan tunda yang tepat. Ini membolehkan kami mencipta rangkaian resonator berskala besar boleh atur cara dengan fleksibiliti yang besar. Ini tidak mudah dalam platform lain.”
Dalam makalah terdahulu yang diterbitkan pada tahun 2022, para penyelidik meneroka fenomena topologi dalam resonator fotonik berskala besar, tetapi khususnya dalam rejim linear. Sebagai sebahagian daripada kajian baharu mereka, mereka menggunakan resonator yang sama untuk melaksanakan laser terkunci mod berganding.
Pasukan menunjukkan bahawa corak nadi yang dihasilkan oleh laser ini boleh mendapat manfaat daripada fenomena bukan Hermitian dan topologi. Pada asasnya, mereka mencipta laser rongga panjang, pelbagai nadi, terkunci mod dan memperkenalkan simpulan di dalamnya (iaitu, menggandingkan nadinya dalam cara topologi).
"Fleksibiliti pendekatan eksperimen kami membolehkan kami kedua-duanya mengkaji persilangan topologi dan penguncian mod laser dan untuk merealisasikan fizik topologi bukan Hermit yang sebelum ini tidak ditunjukkan dalam sistem fotonik, " kata Marandi.
“Sebagai contoh, kami mendapati sinergi antara topologi bukan Hermitian dan dinamik tak linear sistem kami secara spontan menghasilkan mod kulit dalam laser terkunci mod kami. Ini sangat berbeza dengan sistem topologi bukan Hermitian linear, di mana mod kulit mesti disiasat dengan sumber luaran."
Kerja baru-baru ini oleh Marandi dan rakan usaha samanya menunjukkan janji laser terkunci mod untuk mengkaji fizik topologi yang setakat ini sukar diakses secara eksperimen. Di samping itu, kajian mereka boleh memberi inspirasi kepada penggunaan laser terkunci mod untuk membangunkan teknologi penderiaan, pengkomputeran dan komunikasi baharu.
Selain itu, dalam eksperimen mereka, para penyelidik menggunakan laser yang mereka bangunkan untuk mengesahkan keteguhan model matematik yang digunakan untuk mengkaji tingkah laku zarah yang bergerak secara rawak, yang dikenali sebagai model Hatano-Nelson, terhadap penyetempatan yang disebabkan oleh gangguan. Walaupun model ini telah dikaji secara meluas sebelum ini, ia masih belum ditunjukkan pada platform fotonik berkunci mod.
"Khusus untuk kesedaran ini, kami meneroka lagi keteguhan model Hatano-Nelson terhadap penyetempatan yang disebabkan oleh gangguan dan bagaimana ia mungkin membolehkan reka bentuk sumber sikat frekuensi yang mantap," kata Marandi. "Biasanya, keteguhan seperti ini terhadap sesuatu diikuti dengan kepekaan terhadap sesuatu yang lain."
Dalam kajian seterusnya, Marandi dan rakan-rakannya akan cuba menggunakan pendekatan mereka untuk menyiasat penggunaan model Hatano-Nelson sebagai penderia dengan sensitiviti yang dipertingkatkan. Di samping itu, mereka berharap kajian mereka akan memberi inspirasi kepada pasukan lain untuk bereksperimen dengan penggunaan laser terkunci mod untuk mengkaji fenomena fizikal topologi.
"Kami juga percaya bahawa platform kami boleh menjadi tanah yang subur untuk meneroka kumpulan besar fenomena topologi tak linear dan bukan Hermit yang tidak mudah diakses," tambah Marandi. "Satu contoh yang kami minati ialah interaksi pembentukan soliton dan tingkah laku topologi."