Mode-locked lasers zijn geavanceerde lasers die zeer korte lichtpulsen produceren, met een duur variërend van femtoseconden tot picoseconden. Deze lasers worden veel gebruikt om ultrasnelle en niet-lineaire optische verschijnselen te bestuderen, maar ze zijn ook nuttig gebleken voor verschillende technologische toepassingen.
Onderzoekers van het California Institute of Technologie hebben onlangs het potentieel van mode-locked lasers onderzocht als platforms om topologische verschijnselen te bestuderen. Hun artikel, gepubliceerd in Natuurfysica, schetst het potentieel van deze lasers voor het bestuderen en realiseren van nieuwe niet-Hermitische topologische fysica, met verschillende potentiële toepassingen.
“Het idee van het gebruik van topologische robuustheid en topologische bescherming voor fotonische apparaten heeft de afgelopen tien jaar aanzienlijke aandacht getrokken, maar of dergelijk gedrag substantiële praktische voordelen kan opleveren blijft onduidelijk,” vertelde Alireza Marandi, hoofdauteur van het artikel, aan Phys.org.
“We hebben deze vraag specifiek onderzocht voor lasers en niet-lineaire fotonische apparaten waarvan de functionaliteiten inherent niet-lineair zijn. Overigens evolueert het vakgebied van de topologische natuurkunde ook rond de wisselwerking tussen topologie en niet-lineariteit, en de experimentele platforms voor dergelijke verkenningen zijn relatief schaars.’
Het doel van het recente onderzoek van Marandi en zijn collega's was tweeledig. Aan de ene kant wilden ze nieuwe mogelijkheden openen voor de studie van niet-lineair topologisch gedrag, terwijl ze aan de andere kant de praktische toepassing van topologische fysica in mode-locked lasers wilden verbreden.
“Vanuit experimenteel perspectief is ons platform een tijd-multiplex resonatornetwerk, dat is samengesteld uit veel gesynchroniseerde pulsen in een lange resonator”, legt Marandi uit. “Met behulp van nauwkeurige vertragingslijnen kunnen de pulsen regelbaar aan elkaar worden gekoppeld. Dit stelt ons in staat een programmeerbaar netwerk van grootschalige resonatoren met aanzienlijke flexibiliteit te creëren. Op andere platforms is dit niet eenvoudig.”
In een eerder artikel, gepubliceerd in 2022, onderzochten de onderzoekers topologische verschijnselen in grootschalige fotonische resonatoren, maar specifiek in het lineaire regime. Als onderdeel van hun nieuwe onderzoek gebruikten ze dezelfde resonatoren om gekoppelde modusvergrendelde lasers te implementeren.
Het team toonde aan dat het pulspatroon dat door deze lasers wordt geproduceerd, kan profiteren van niet-hermitische en topologische verschijnselen. In wezen creëerden ze een multi-pulse, modus-vergrendelde laser met lange holte en introduceerden er een knoop in (dat wil zeggen, waarbij de pulsen op een topologische manier werden gekoppeld).
"De flexibiliteit van onze experimentele aanpak stelde ons in staat om zowel de kruising van topologie en lasermodusvergrendeling te bestuderen als om niet-hermitische topologische fysica te realiseren die nog niet eerder in fotonische systemen was aangetoond", zei Marandi.
“We ontdekten bijvoorbeeld dat de synergie tussen de niet-hermitische topologie en de niet-lineaire dynamiek van ons systeem spontaan huidmodi produceerde in onze mode-locked laser. Dit staat in schril contrast met lineaire niet-Hermitische topologische systemen, waarbij huidmodi moeten worden onderzocht met een externe bron.”
Dit recente werk van Marandi en zijn medewerkers demonstreert de belofte van mode-locked lasers voor het bestuderen van topologische fysica die tot nu toe experimenteel moeilijk toegankelijk waren. Bovendien zou hun onderzoek kunnen inspireren tot het gebruik van mode-locked lasers voor de ontwikkeling van nieuwe detectie-, computer- en communicatietechnologieën.
Bovendien gebruikten de onderzoekers in hun experimenten de laser die ze ontwikkelden om de robuustheid te bevestigen van een wiskundig model dat wordt gebruikt om het gedrag van willekeurig bewegende deeltjes te bestuderen, bekend als het Hatano-Nelson-model, tegen door wanorde veroorzaakte lokalisatie. Hoewel dit model al eerder uitgebreid is bestudeerd, was het nog niet gedemonstreerd op een mode-locked fotonisch platform.
"Specifiek voor dit besef hebben we de robuustheid van het Hatano-Nelson-model tegen door wanorde veroorzaakte lokalisatie verder onderzocht en hoe dit het ontwerp van robuuste frequentiekambronnen mogelijk zou kunnen maken," zei Marandi. "Normaal gesproken wordt dit soort robuustheid tegen iets gevolgd door gevoeligheid voor iets anders."
In hun volgende onderzoek zullen Marandi en zijn collega's proberen hun aanpak te gebruiken om het gebruik van het Hatano-Nelson-model als een sensor met verhoogde gevoeligheid te onderzoeken. Bovendien hopen ze dat hun onderzoek andere teams zal inspireren om te experimenteren met het gebruik van mode-locked lasers om topologische fysische verschijnselen te bestuderen.
“Wij geloven ook dat ons platform een vruchtbare voedingsbodem kan zijn voor het verkennen van een groot aantal niet-lineaire topologische en niet-hermitische verschijnselen die niet gemakkelijk toegankelijk zijn”, voegde Marandi eraan toe. "Een voorbeeld waarin we geïnteresseerd zijn, is het samenspel van solitonvorming en topologisch gedrag."