فنآوریهای مدرن به طور فزایندهای بر منابع نوری تکیه میکنند که میتوانند در صورت نیاز پیکربندی مجدد شوند. به میکرولیزرهایی فکر کنید که میتوانند به سرعت بین حالتهای عملیاتی مختلف جابهجا شوند-مثل دندههای تعویض خودرو-تا یک تراشه نوری بتواند سیگنالها را هدایت کند، محاسبات را انجام دهد یا با شرایط متغیر در زمان واقعی سازگار شود. سوئیچینگ میکرولیزر یک فرآیند آرام و آرام نیست، اما می تواند ناگهانی و سریع باشد. به طور کلی، حالتهای لیزری تقریباً یکسان «نامزد» با یکدیگر در یک ریزحفره رقابت میکنند و لیزر ممکن است به طور ناگهانی از یک حالت به حالت دیگر بپرد که شرایط خارجی تنظیم شود.
این یک سوال عملی ایجاد می کند: اصولاً چنین سوئیچ چقدر می تواند سریع باشد؟ برای فیزیکدانان، موضوع عمیقتری را مطرح میکند: آیا سوئیچینگ از یک قانون جهانی پیروی میکند، مانند سایر انتقالهای فاز در طبیعت؟
تیمی در دانشگاه پکن اکنون تصویر واضحی از یک-لیزر ریزحفره ای با کیفیت فوق العاده بالا-زمانی که لیزر برای تکمیل یک سوئیچ حالت نیاز دارد، از یک قانون بسیار ساده-قدرت پیروی می کند، ارائه کرده است. هنگامی که دستگیره کنترل سریع تر جارو می شود، سوئیچ سریعتر می شود- اما نه به طور دلخواه. در عوض، زمان سوئیچینگ با جذر سرعت جابجایی کاهش مییابد که مربوط به یک توان قوی نزدیک به نصف است. این نتیجه به طور موثر محدودیت سرعتی را برای سرعت "تغییر دنده" چنین میکرولیزرهایی تعیین می کند. یافته ها در منتشر شده استنامه های بررسی فیزیکی.
چگونه سوئیچ لیزر را کنترل کنیم؟
در یک حفره فوقالعاده{0}}Q، فوتونها میلیونها بار قبل از نشت به بیرون گردش میکنند، که تعاملات نور-ماده را تا حد زیادی افزایش میدهد و لیزر آستانه پایین-را ممکن میسازد. تا کنون، اکثر مطالعات میتوانستند بگویند که لیزر در کدام حالت قرار میگیرد، اما به تصویر کشیدن خود فرآیند تغییر{3} بسیار سختتر بود. این گذرا میتواند در مقیاسهای زمانی نانوثانیه آشکار شود، و در یک سیستم باز اتفاق میافتد که دائماً هدایت میشود و انرژی خود را از دست میدهد، جایی که نویز و اتلاف نقش اصلی را بازی میکنند.
برای حل این مشکل، تیم یک پلتفرم میکرو{0}}لیزری ساخت که میتواند به روشی تمیز و قابل برنامهریزی تنظیم شود. لیزر در یک میکروکره سیلیس فوقالعاده بالا-تنها دهها میکرومتر در عرض- تولید میشود که در آن امواج در جهت عقربههای ساعت و خلاف جهت عقربههای ساعت میتوانند دو حالت موج ایستاده (دو "ابرحالت") با تقارن مخالف جفت شوند و تشکیل دهند.
ایده اصلی اضافه کردن یک حلقه بازخورد بود که بخش کوچکی از نور لیزر را دوباره به داخل حفره تزریق میکند. با کنترل فاز این نور تزریقی، محققان میتوانند تداخل ایجاد کنند یا ابرحالتهای خاص را تقویت یا تضعیف کنند. در واقع، این کنترل فاز به آنها اجازه میدهد تعادل تلفات بین دو حالت لیزری رقیب را تنظیم کنند-مانند تنظیم الاکلنگ-بهگونهای که سیستم بتواند در نقطه بحرانی که در آن یک حالت بر دیگری ترجیح داده میشود، رد شود. این یک شکل مشخص از کنترل "غیر{5}}هرمیتی است: به جای تغییر فرکانس تشدید، مستقیماً چشم انداز سود و زیان را تغییر می دهد که بر دولت برنده می شود.
فیلمبرداری سوئیچ در زمان واقعی
کنترل سوئیچ فقط نیمی از داستان است-ضبط کردن آن نیمی دیگر است. این تیم از روش ضربان رادیویی-فرکانس (RF)-توجه داشته باشید: آنها خروجی لیزر را با یک مرجع پایدار مخلوط کردند و سیگنال RF حاصل را در طول زمان ردیابی کردند. این تغییرات نوری فوق سریع را به سیگنالهای الکتریکی قابل اندازهگیری تبدیل میکند و به محققان این امکان را میدهد تا نحوه تکامل حالت لیزر در طول سوئیچ را با وضوح زمانی زیر 10 نانوثانیه بازسازی کنند.
قانون ساده: مقیاس قدرت
هنگامی که گذرا قابل مشاهده است، یک آزمایش طبیعی ممکن می شود: پروتکل سوئیچینگ را چندین بار تکرار کنید، اما دکمه کنترل را با سرعت های مختلف جارو کنید. سپس تیم یک زمان انتقال خوب-از هر رویداد تعویض استخراج کرد. نتیجه قابل توجه بود: در طیف وسیعی از سرعتهای جارو، زمان انتقال از قانون قدرت قوی پیروی میکند. جاروهای سریعتر منجر به تعویض سریعتر میشود، اما بهبود به روشی قابل پیشبینی کند میشود.
از نظر کمی، زمان سوئیچینگ تقریباً به صورت جذر معکوس سرعت جابجایی، مربوط به توانی نزدیک به 0.5 است. همین رفتار همچنین در مطالعات شبکههای لیزری حفرهای جفتشده ظاهر میشود، که نشان میدهد این قانون ویژگی شکننده یک دستگاه نیست، بلکه در عوض منعکسکننده اصل گستردهتری از سوئیچینگ غیرتعادلی در سیستمهای فوتونی متحرک و پراکنده است.
پروفسور شیائو، نویسنده مسئول این کار تحقیقاتی، گفت: "قوانین مقیاس جهانی ارزشمند هستند زیرا به مهندسان و دانشمندان قطب نمای پیش بینی می کنند." "بهجای تنظیم دستگاهها با آزمون و خطا، میتوان از یک قانون مقیاسبندی برای پیشبینی اینکه چگونه تغییر سرعت کنترل بر زمان پاسخدهی تأثیر میگذارد استفاده کرد{2}}و درک کرد که بازده کاهشی در کجا تنظیم میشود."
برای کاربردها، این یافته ممکن است الهام بخش میکرولیزرهای قابل تنظیم مجدد باشد که باید به سرعت حالت های عملیاتی را برای فوتونیک روی تراشه-و همچنین شبکه های لیزر جفت شده پیشنهادی برای بهینه سازی و محاسبات آنالوگ، جایی که بسیاری از گره ها باید به طور قابل اعتماد و سریع جابجا شوند، تغییر دهند. برای علوم بنیادی، نتیجه یک معیار آزمایشی نادر و تمیز برای دینامیک بحرانی غیرتعادلی در یک -محیط باز و غیر هرمیتی-عرصهای ارائه میکند که در آن ایدههای کلاسیک در مورد انتقال فاز باید بازاندیشی و آزمایش شوند.
