Лазеры с синхронизацией мод — это современные лазеры, которые производят очень короткие импульсы света длительностью от фемтосекунд до пикосекунд. Эти лазеры широко используются для изучения сверхбыстрых и нелинейных оптических явлений, но они также оказались полезными для различных технологических приложений.
Исследователи Калифорнийского института Технологии недавно изучали потенциал лазеров с синхронизацией мод как платформ для изучения топологических явлений. Их статья, опубликованная в Физика природы, обрисовывает потенциал этих лазеров для изучения и реализации новой неэрмитовой топологической физики с различными потенциальными приложениями.
«Идея использования топологической устойчивости и топологической защиты для фотонных устройств привлекла значительное внимание в последнее десятилетие, однако может ли такое поведение обеспечить существенные практические преимущества, остается неясным», — рассказал Phys.org Алиреза Маранди, ведущий автор статьи.
«Мы изучали этот вопрос специально для лазеров и нелинейных фотонных устройств, функциональность которых по своей сути нелинейна. Между прочим, область топологической физики также развивается вокруг взаимодействия топологии и нелинейности, а экспериментальные платформы для таких исследований относительно скудны».
Цель недавнего исследования Маранди и его коллег была двоякой. С одной стороны, они хотели открыть новые возможности для изучения нелинейного топологического поведения, а с другой — расширить практическое применение топологической физики в лазерах с синхронизацией мод.
«С экспериментальной точки зрения наша платформа представляет собой сеть резонаторов с мультиплексированием по времени, которая состоит из множества синхронизированных импульсов в длинном резонаторе», — объяснил Маранди. «Импульсы могут быть связаны друг с другом контролируемым образом с использованием точных линий задержки. Это позволяет нам создавать программируемую сеть крупномасштабных резонаторов со значительной гибкостью. На других платформах это непросто».
В более ранней статье, опубликованной в 2022 году, исследователи исследовали топологические явления в крупномасштабных фотонных резонаторах, но конкретно в линейном режиме. В рамках своего нового исследования они использовали те же резонаторы для создания связанных лазеров с синхронизацией мод.
Команда показала, что диаграмма импульсов, создаваемая этими лазерами, может извлечь выгоду из неэрмитовых и топологических явлений. По сути, они создали многоимпульсный лазер с синхронизацией мод с длинным резонатором и ввели в него узел (т.е. связали его импульсы топологическим образом).
«Гибкость нашего экспериментального подхода позволила нам как изучить пересечение топологии и синхронизации лазерных мод, так и реализовать неэрмитову топологическую физику, которая ранее не была продемонстрирована в фотонных системах», — сказал Маранди.
«Например, мы обнаружили, что синергия между неэрмитовой топологией и нелинейной динамикой нашей системы спонтанно создает скин-моды в нашем лазере с синхронизацией мод. Это резко контрастирует с линейными неэрмитовыми топологическими системами, где скин-моды необходимо исследовать с помощью внешнего источника».
Эта недавняя работа Маранди и его сотрудников демонстрирует перспективность лазеров с синхронизацией мод для изучения топологической физики, к которым до сих пор было трудно получить экспериментальный доступ. Кроме того, их исследование может вдохновить на использование лазеров с синхронизацией мод для разработки новых сенсорных, вычислительных и коммуникационных технологий.
Более того, в своих экспериментах исследователи использовали разработанный ими лазер, чтобы подтвердить устойчивость математической модели, используемой для изучения поведения хаотически движущихся частиц, известной как модель Хатано-Нельсона, против локализации, вызванной беспорядком. Хотя эта модель ранее широко изучалась, она еще не была продемонстрирована на фотонной платформе с синхронизацией мод.
«В связи с этой реализацией мы дополнительно изучили устойчивость модели Хатано-Нельсона к локализации, вызванной беспорядком, и то, как она может позволить разработать надежные источники гребенки частот», — сказал Маранди. «Обычно за такой устойчивостью к чему-то следует чувствительность к чему-то другому».
В своих следующих исследованиях Маранди и его коллеги попытаются использовать свой подход для изучения использования модели Хатано-Нельсона в качестве датчика с повышенной чувствительностью. Кроме того, они надеются, что их исследование вдохновит другие команды на эксперименты с использованием лазеров с синхронизацией мод для изучения топологических физических явлений.
«Мы также считаем, что наша платформа может стать благодатной почвой для изучения большого количества нелинейных топологических и неэрмитовых явлений, к которым нелегко получить доступ», — добавил Маранди. «Один из таких примеров, который нас интересует, — это взаимодействие формирования солитонов и топологического поведения».