Nowy sposób synchronizacji przestrzennie rozdzielonych laserów, które mogą działać jak jedno spójne źródło światła – bez ekstremalnych warunków i skomplikowanych materiałów – to wynik badań naukowców z Wielkiej Brytanii, Francji, Włoch i Polski, w tym fizyków z UW. Badanie otwiera nowe możliwości dla tanich i rekonfigurowalnych technologii optycznych.

Zespół fizyków z Uniwersytetu w Southampton, Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, Institut Pascal, Université Clermont Auvergne i CNRS oraz CNR opracował nową klasę przestrajalnych urządzeń fotonicznych, w których wiele niewielkich wiązek laserowych spontanicznie synchronizuje się i zachowuje jak jedno, przestrzennie rozciągłe oraz koherentne źródło światła. Efekt ten uzyskano w temperaturze pokojowej w prostym układzie opartym na ciekłych kryształach i organicznych barwnikach laserowych, otwierając nowe możliwości dla tanich i rekonfigurowalnych technologii optycznych.

Nowy sposób sprzęgania laserów

Badanie pokazuje, że przestrzennie oddzielone plamki laserowe wewnątrz mikrownęki optycznej mogą spontanicznie zsynchronizować swoje oscylacje fazowe (tzw. phase-locking) i utworzyć wspólny stan kolektywny zwany „supermodem”. Dotychczas podobne zjawiska obserwowano jedynie w wyspecjalizowanych układach półprzewodnikowych pracujących w temperaturach kriogenicznych oraz w tzw. reżimie silnego sprzężenia światła z materią.

– To zupełnie nowy sposób sprzęgania laserów – wyjaśnia prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW i dodaje: – Zamiast wykorzystywać silne oddziaływanie światła z materią, wykorzystujemy samą propagację światła. Otrzymane wyniki otwierają nową drogę do budowy skalowalnych i programowalnych układów fotonicznych, które mogą znaleźć zastosowanie w obliczeniach optycznych, sieciach neuronowych oraz fotonicznych symulatorach złożonych układów. Dodatkowa możliwość kontroli parametrów emisji może okazać się kluczowa dla kształtowania wiązek światła i zaawansowanych technologii laserowych. Otwiera również nowe perspektywy dla zintegrowanych układów optycznych. Ze względu na to, że system działa w temperaturze pokojowej i wykorzystuje dobrze znane materiały, stanowi obiecującą drogę do praktycznych zastosowań.

Technologiczny majstersztyk z Warszawy

– Nasze wyniki pokazują, że do uzyskania tego rodzaju kolektywnego zachowania światła nie są potrzebne ani złożone materiały kwantowe, ani niskie temperatury – mówi dr Dmitriy Dovzhenko z Uniwersytetu w Southampton, pierwszy autor artykułu i pomysłodawca eksperymentu. – Podobne efekty można osiągnąć na znacznie prostszej i bardziej praktycznej platformie, oferującej rekonfigurowalność optyczną, elektryczną przestrajalność oraz stabilną pracę w warunkach otoczenia, a jednocześnie umożliwiającej działanie w nietypowych reżimach niedostępnych w dotychczas badanych układach – dodaje badacz.

– Urządzenie składa się z mikroskopowej wnęki optycznej wypełnionej ciekłym kryształem zmieszanym ze standardowym barwnikiem laserowym – taki technologiczny majstersztyk wytworzony w Warszawie – mówi prof. Wiktor Piecek z Wojskowej Akademii Technicznej.

Po pobudzeniu próbki za pomocą przestrzennie ukształtowanego światła (w postaci kilku plamek) niewielkie obszary wnęki zaczynają emitować światło laserowe, działając jak miniaturowe lasery. Zamiast funkcjonować niezależnie, obszary te mogą oddziaływać ze sobą za pośrednictwem światła propagującego się w płaszczyźnie wnęki. Prowadzi to do powstania makroskopowego stanu koherentnego (spójnego) obejmującego wiele plamek laserowych. W tym reżimie układ zachowuje się jak sieć sprzężonych oscylatorów, które spontanicznie się synchronizują.

Elektryczne przestrajanie właściwości

Kluczową zaletą nowej platformy jest możliwość elektrycznego przestrajania jej właściwości. Poprzez przyłożenie niewielkiego napięcia badacze mogą zmieniać orientację molekuł ciekłego kryształu wewnątrz wnęki. Powoduje to zmianę sposobu propagacji światła, umożliwiając włączanie i wyłączanie oddziaływań pomiędzy plamkami laserowymi oraz kontrolę siły ich sprzężenia. Dodatkowo modyfikowany jest kierunek i polaryzacja emitowanego światła dzięki efektom analogicznym do sprzężenia spin-orbita fotonów. Taki poziom kontroli pozwala na dynamiczną rekonfigurację laserowego supermodu w czasie rzeczywistym.

Publikacja podważa długo utrzymujące się w fotonice przekonanie, zgodnie z którym złożone kolektywne stany światła wymagają silnego sprzężenia światła z materią oraz środowiska kriogenicznego. Badanie pokazuje, że podobna fizyka może pojawiać się również w prostszych, półklasycznych układach, o ile zapewnione zostaną odpowiednie warunki pobudzania i propagacji światła.