Принцип работы двухдоменного волоконного лазера. 
(A) Схема двухдоменного (фононного и фотонного) лазера на прямом интермодальном ВРМБ в кольцевом резонаторе ТМП. Дисперсионные диаграммы с условиями сохранения энергии и импульса для ВРМБ назад (B) и ВРМБ вперед (C) в оптическом волокне. 
(D) Принцип работы одновременного фононного и фононного генерации проиллюстрирован в частотной области.
Авторы и права: Научные достижения (2023 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

Лазеры — важное историческое изобретение, оказавшее повсеместное влияние на общество. Эта концепция также имеет междисциплинарные приложения, такие как фононные лазеры и атомные лазеры. Лазер в одной физической области может накачиваться энергией в другой. Тем не менее, все продемонстрированные на практике лазеры до сих пор работали только в одной физической области.

В новом отчете, опубликованном в Science Advances, Нин Ван и исследовательская группа из Колледжа оптики и фотоники Университета Центральной Флориды, США, и группа Prysmian во Франции продемонстрировали одновременный процесс генерации фотонов и фононов . Двухдоменный лазер имеет множество применений в качестве оптического и акустического пинцета для проведения механических измерений для генерации микроволн и выполнения квантовой обработки. Команда ожидает, что эта демонстрация откроет новые пути для многодоменных приложений, связанных с лазерами.

Разработка двухдоменного лазера

Лазеры являются продолжением электронных генераторов на радиочастотах и мазеров на микрочастотах в оптическом диапазоне. Лазеры имеют огромные приложения с новыми расширениями концепции в таких областях, как акустические генераторы, также известные как сазеры, и генераторы на атомных или материальных волнах. Понятие лазера традиционно описывает оптический генератор, основанный на вынужденном излучении, хотя термин фононный лазер и лазер на атоме/веществе также довольно распространены.

Есть несколько приложений, в которых может быть полезен процесс одновременной генерации фотонов и фононов. К ним относится разработка акустического пинцета субмиллиметрового масштаба. Комбинированная ультразвуковая и фотонная биологическая визуализация для улучшения качества изображения, а двухдоменные лазеры применяются в квантовой обработке информации и восприятии. Существующие демонстрации показали, что стоксова оптическая акустическая волна является побочным продуктом фононного лазера. В этой работе Ван и его коллеги разработали систему связанных генераторов, которые генерировали в двух различных физических областях, накачиваемых из одного и того же источника, чтобы показать, как двухдоменная одновременная генерация фотонов и фононов увеличивает выходную мощность как фотонного, так и фононного лазеров.

Экспериментальная установка. 
(A) Экспериментальная установка для демонстрации двухдоменной одновременной генерации фононов и фотонов на основе прямого интермодального ВРМБ в 10-метровом кольцевом резонаторе TMF. 
(B) Измеренный профиль показателя преломления TMF с уменьшенной оболочкой, используемого в качестве усиливающей среды в двухдоменном (фононном и фотонном) лазере. 
(C) Изображение поперечного сечения TMF под микроскопом. 
(D) измеренные профили трех управляемых оптических мод TMF при λ = 976 нм.
Авторы и права: Научные достижения (2023 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

Принцип действия

Команда сгенерировала низкочастотную изгибную акустическую волну, используя стимулированное бриллюэновское рассеяние вперед; взаимодействие фотонов и фононов внутри двухмодового волокна. Низкочастотные фононы были заключены в кварцевое волокно с длительным временем жизни 10 миллисекунд. Длина распространения составляла около 10 метров, что позволяло также генерировать фононы. В экспериментальной установке когерентное колебание оптической волны усиливало усиление акустических фононов и, наоборот, генерировало генерацию в двух областях.

Команда отметила четыре режима работы устройства за счет увеличения мощности оптической накачки для создания генерации фотонов и фононов, при которой выигрыш как для стоксовой оптической волны, так и для акустической волны должен был превышать их потери. Экспериментаторы разработали метод, позволяющий энергии фононов внутри кольцевого резонатора облегчить генерацию фононов. В то время как мощность фононного лазера была заключена внутри резонатора, на выходе ответвителя был виден стоксов оптический лазер.

Эксперименты

Во время экспериментов исследователи использовали диод накачки с оптоволоконной связью 976 нм с максимальной выходной мощностью 400 мВт. Они использовали термоэлектрический охладитель для регулирования функциональной температуры системы. Накачка запускалась в двухмодовое волокно, вставленное в кольцевую полость по внешнему диаметру.

Ученые использовали двухмодовое волокно с уменьшенной оболочкой, состоящее из оболочки из чистого кварца и сердцевины из кварца, легированной оксидом германия. Поскольку акустические поля распространялись на всю оболочку, процесс уменьшения размера оболочки двухмодового волокна улучшил перекрытие между акустическими и оптическими полями, чтобы увеличить коэффициент усиления вынужденного бриллюэновского рассеяния.

Результаты эксперимента. 
(A) Измеренная оптическая мощность стоксова фотонного лазера LP11 в зависимости от введенной мощности накачки, (вставка) оптическая мощность в логарифмической шкале. 
(B) РЧ-мощность биений между накачкой и фотонным лазером Стокса при каждой мощности накачки. 
(C) ВЧ-мощность в линейной шкале в зависимости от квадрата мощности накачки и электрических спектров в нотах биений при мощности накачки (D) 100 мВт, (E) 161 мВт, (F) 271 мВт и (G) 367 мВт, цвет- соответствуют кружкам в (A) и (B). 
Авторы и права: Научные достижения (2023 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

Мощность лазера

Команда измерила выходную мощность фононного лазера в зависимости от мощности накачки, вводимой в кольцевой резонатор, чтобы получить два порога, соответствующие фотонному лазеру и фононному лазеру. Пороговая мощность накачки фотонного лазера составляла 180 мВт. При увеличении мощности накачки до 308 мВт заработал и фононный лазер.

Измеренные пороговая мощность накачки и выходная мощность лазера согласуются с результатами численного моделирования. Фотон-фононный лазер представлял собой перевернутую диссипативную иерархию, в которой ширина линии акустического излучения была значительно меньше ширины линии лазера накачки по сравнению с существующими стандартами.

Перспектива

Таким образом, Нин Ван и его коллеги показали, как два когерентно связанных лазера в разных физических областях выполняют множество практических задач. Свет и звук обладают разными пространственными и временными свойствами и по-разному взаимодействуют с материалами; следовательно, их доступность можно исследовать по-разному. Это явление связанной генерации в двух разных физических областях в пределах одного и того же резонатора является первым результатом исследования. Этот результат выходит за рамки уже установленных методов, которые включают когерентно связанные лазеры, такие как массивы лазерных диодов.

Двухдоменный лазер исследовал прямое интермодальное вынужденное рассеяние Бриллюэна, чтобы обеспечить связь для одновременной генерации фотонов и фононов в одном резонаторе. Команда не наблюдала напрямую мощность фононного лазера в этом исследовании из-за отсутствия камер с высоким разрешением и высокой частотой кадров. Ученые наблюдали несколько режимов работы лазера по отношению к спонтанному бриллюэновскому рассеянию, генерированию фотонов и генерированию фотонов-фононов, которые соответствовали теоретической модели двухдоменной генерации. Результаты могут привести к будущим достижениям в области оптомеханики и открыть многодоменные лазеры и связанные с ними приложения.