Съвременните технологии все повече разчитат на източници на светлина, които могат да бъдат преконфигурирани при поискване. Помислете за микролазери, които могат бързо да превключват между различни работни състояния-подобно на автомобил, който превключва скоростите-, така че оптичният чип да може да насочва сигнали, да извършва изчисления или да се адаптира към променящите се условия в реално време. Микролазерното превключване не е плавен, бавен процес, но може да бъде внезапно и бързо. Като цяло, почти идентични "кандидат" лазерни състояния се конкурират помежду си в микрокухина и лазерът може внезапно да скочи от едно състояние в друго, когато външните условия са настроени.
Това повдига практически въпрос: Колко бързо може да бъде такова превключване по принцип? За физиците това повдига по-дълбоко: следва ли превключването универсално правило, подобно на други фазови преходи в природата?
Екип от Пекинския университет вече предостави ясна картина на свръхвисоко{0}}качествен лазер с микрокухина-Времето, необходимо на лазера, за да завърши превключването на състоянието, следва забележително просто правило на-закона за степента. Когато копчето за управление се движи по-бързо, превключвателят става по-бърз,-но не произволно. Вместо това, времето за превключване намалява с корен квадратен от скоростта на почистване, съответстващо на стабилен показател, близък до половината. Този резултат на практика определя ограничение на скоростта за това колко бързо такива микролазери могат да „сменят предавките“. Констатациите са публикувани вПисма за физически преглед.
Как да управлявате лазерния превключвател?
В кухина със свръхвисок-Q фотоните циркулират много милиони пъти, преди да изтекат навън, което значително подобрява взаимодействията светлина-материя и позволява лазерно излъчване с нисък-праг. Досега повечето проучвания можеха да кажат в кое състояние се е озовал лазерът, но беше много по-трудно да се улови самият процес на превключване-краткият преход, при който лазерът напуска едно състояние и се установява в друго. Този преходен процес може да се развие в наносекундни времеви мащаби и се случва в отворена система, която постоянно се задвижва и губи енергия, където шумът и разсейването играят централна роля.
За да разреши това, екипът изгради микро-лазерна платформа, която може да се настройва по чист и програмируем начин. Лазерът се генерира в силициева микросфера със свръхвисок-Q-само десетки микрометри напречно-където вълни по посока на часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка могат да се свързват и да образуват две конкуриращи се състояния на стояща-вълна (два „супермода“) с противоположни симетрии.
Основната идея беше да се добави обратна връзка, която инжектира отново малка част от лазерната светлина обратно в кухината. Чрез контролиране на фазата на тази повторно инжектирана светлина, изследователите биха могли да направят смущенията или да засилят, или отслабят специфични супермодове. Всъщност този контрол на фазата им позволява да настроят баланса на загубите между двете конкуриращи се състояния на генерация-като регулиране на люлка-, така че системата да може да бъде преместена през критичната точка, където едното състояние става предпочитано пред другото. Това е ясно изразена „не-ермитска“ форма на контрол: вместо само да променя резонансните честоти, тя директно преоформя ландшафта печалба-загуба, който управлява кое състояние печели.
Заснемане на превключването в реално време
Контролирането на превключвателя е само половината от историята-записването е другата половина. Екипът използва метод на радио-честота (RF) beat-note: Те смесват лазерния изход със стабилна референтна стойност и проследяват получения радиочестотен сигнал във времето. Това преобразува свръхбързите оптични промени в измерими електрически сигнали, позволявайки на изследователите да възстановят как се развива състоянието на лазера по време на превключване с разделителна способност под 10 наносекунди.
Простото правило: мащабиране на мощността
След като преходният процес е видим, естественият експеримент става възможен: повторете протокола за превключване много пъти, но завъртете копчето за управление с различни скорости. След това екипът извлече добре-дефинирано време на преход от всяко събитие на превключване. Резултатът беше поразителен: в широк диапазон от скорости на движение, времето за преход следва стабилен степенен закон. По-бързите движения водят до по-бързо превключване, но подобрението се забавя по предвидим начин.
Количествено, времето за превключване се мащабира приблизително като обратен корен квадратен от скоростта на почистване, съответстващо на експонента, близка до 0,5. Същото поведение се проявява и в проучвания на лазерни мрежи с-кухина, което предполага, че правилото не е крехка характеристика на едно устройство, а вместо това отразява по-широк принцип на неравновесно превключване в задвижвани, дисипативни фотонни системи.
„Универсалните закони за мащабиране са ценни, защото дават на инженерите и учените предсказващ компас“, каза проф. Сяо, съответният автор на тази изследователска работа. „Вместо да настройваме устройства чрез проба и грешка, човек може да използва правило за мащабиране, за да предвиди как промяната на скоростта на управление влияе върху времето за реакция-и да разбере къде се появяват намаляващи възвръщаемости.“
За приложения това откритие може да вдъхнови реконфигурируемите микролазери, които трябва бързо да превключват работни състояния за фотоника на-чипа, както и свързаните лазерни мрежи, предложени за оптимизация и аналогови изчисления, където много възли трябва да превключват надеждно и бързо. За фундаменталната наука резултатът предоставя рядък, чист експериментален показател за неравновесна критична динамика в отворена, не-ермитска среда-арена, където класическите идеи за фазовите преходи трябва да бъдат преосмислени и тествани.
