Laser al quadrato: A due

Funzionalità del 17 luglio 2023

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

I laser sono un’invenzione storica significativa con un impatto onnipresente nella società. Il concetto ha anche applicazioni interdisciplinari come laser fononici e laser atomici. Un laser in un dominio fisico può essere pompato dall'energia in un altro. Tuttavia, finora tutti i laser dimostrati nella pratica hanno funzionato solo in un dominio fisico.

In un nuovo rapporto pubblicato su Science Advances, Ning Wang e un gruppo di ricerca del College of Optics and Photonics dell’Università della Florida Centrale, negli Stati Uniti, e il gruppo Prysmian in Francia, hanno dimostrato il processo simultaneo di laser di fotoni e fononi. Il laser a due domini ha molteplici applicazioni come pinzette ottiche e acustiche per condurre il rilevamento meccanico per generare microonde ed eseguire l’elaborazione quantistica. Il team prevede che questa dimostrazione apra nuove strade per le applicazioni multidominio legate al laser.

I laser sono un'estensione degli oscillatori elettronici a radiofrequenze e dei maser a microfrequenze nella regione ottica. I laser hanno enormi applicazioni con nuove estensioni del concetto in domini come gli oscillatori acustici, noti anche come saser, e gli oscillatori a onde atomiche o di materia. Il concetto di laser descrive tradizionalmente un oscillatore ottico basato sull'emissione stimolata, sebbene siano abbastanza comuni anche i termini laser fononico e laser atomo/materia.

Ci sono alcune applicazioni in cui il processo di laser simultaneo di fotoni e fononi può essere utile. Questi includono lo sviluppo di pinzette acustiche su scala submillimetrica. L'imaging biologico combinato a ultrasuoni e fotonico per una migliore qualità dell'immagine e i laser a due domini hanno campo d'azione nell'elaborazione e nel rilevamento delle informazioni quantistiche. Dimostrazioni esistenti hanno dimostrato che l'onda acustica ottica di Stokes è un sottoprodotto in un laser fononico. In questo lavoro, Wang e colleghi hanno sviluppato un sistema di oscillatori accoppiati che laserano in due domini fisici distinti pompati dalla stessa sorgente per mostrare come il laser simultaneo a due domini di fotoni e fononi migliora le potenze di uscita sia dei laser a fotoni che a quelli a fononi.

Il team ha generato l'onda acustica flessionale a bassa frequenza utilizzando lo scattering Brillouin stimolato in avanti; l'interazione di fotoni e fononi all'interno di una fibra bimodale. I fononi a bassa frequenza erano confinati nella fibra di silice con una lunga durata di 10 millisecondi. La lunghezza di propagazione era di circa 10 metri, consentendo anche ai fononi di laserare. Nella configurazione sperimentale, l'oscillazione coerente dell'onda ottica ha potenziato il guadagno dei fononi acustici e viceversa, per generare laser in due domini.

Il team ha notato quattro stati di funzionamento nel dispositivo aumentando la potenza della pompa ottica per produrre laser di fotoni e fononi per i quali i guadagni sia per l'onda ottica di Stokes che per l'onda acustica dovevano superare le loro perdite. Gli sperimentali hanno ideato un metodo per consentire l'energia fononica all'interno della cavità dell'anello per facilitare il laser fononico. Mentre la potenza del laser fonico era confinata all'interno della cavità, il laser ottico di Stokes è stato visto all'uscita dell'accoppiatore.

Durante gli esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato un diodo pompa accoppiato a fibra da 976 nm con una potenza di uscita massima di 400 mW. Hanno utilizzato un dispositivo di raffreddamento termoelettrico per regolare la temperatura funzionale del sistema. La pompa viene lanciata in una fibra bimodale accoppiata nella cavità dell'anello del diametro esterno.