Μια διεθνής ομάδα ερευνητών, συμπεριλαμβανομένου ενός επιστήμονα από το Πανεπιστήμιο του Άστον, ανέπτυξε ένα νέο μαθηματικό πλαίσιο που εξηγεί την περίεργη συμπεριφορά των αποκαλούμενων παλμών λέιζερ «αναπνοής». Η ανακάλυψη συνδυάζει δύο διαφορετικούς τύπους δυναμικής λέιζερ κάτω από ένα μόνο μοντέλο για πρώτη φορά.
Τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ παράγουν απίστευτα σύντομες εκρήξεις φωτός που διαρκούν μόνο picoseconds ή femtoseconds. Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρέως σε τεχνολογίες όπως η οφθαλμική χειρουργική, η βιοϊατρική απεικόνιση, η προηγμένη κατασκευή και η επεξεργασία υλικών ακριβείας. Μια βαθύτερη κατανόηση του πώς συμπεριφέρονται αυτά τα λέιζερ θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να βελτιώσουν τη σταθερότητά τους και να τα καταστήσουν πιο αποτελεσματικά για εξειδικευμένες εφαρμογές.
Μέσα σε ένα εξαιρετικά γρήγορο λέιζερ, παλμοί φωτός ταξιδεύουν επανειλημμένα μέσα από μια δομή γνωστή ως κοιλότητα λέιζερ. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, αυτοί οι παλμοί μπορούν να σχηματίσουν σταθερά πακέτα κυμάτων που ονομάζονται σολιτόνια. Σε αντίθεση με τους συνηθισμένους παλμούς φωτός που διαδίδονται αργά, τα σολιτόνια διατηρούν το σχήμα τους καθώς κινούνται.
Τις περισσότερες φορές, τα σολιτόνια συμπεριφέρονται με σταθερό και προβλέψιμο τρόπο, παράγοντας έναν κανονικό παλμό σαν καρδιακό παλμό. Ωστόσο, στα λέιζερ «αναπνοής», οι παλμοί αλλάζουν συνεχώς με την πάροδο του χρόνου. Μεγαλώνουν και συρρικνώνονται επανειλημμένα καθώς ταξιδεύουν συνεχώς μέσα από την κοιλότητα του λέιζερ, δημιουργώντας μια ρυθμική ταλάντωση που μοιάζει με την αναπνοή. Αυτή η συμπεριφορά αντιπροσωπεύει μια κατάσταση μη ισορροπίας όπου η έξοδος λέιζερ εξελίσσεται συνεχώς αντί να παραμένει σταθερή.
Δύο διαφορετικοί τύποι «αναπνοής» λέιζερ.
Προηγούμενα πειράματα αποκάλυψαν δύο ξεχωριστές μορφές αναπνευστικής συμπεριφοράς σε αυτά τα λέιζερ.
Όταν το λέιζερ λειτουργεί πάνω από την ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για τη διατήρηση της εκπομπής παλμών, που είναι γνωστή ως κατώφλι, τα σολίτονα αρχίζουν να ταλαντώνονται γρήγορα. Σε αυτό το καθεστώς, ο κύκλος της αναπνοής επαναλαμβάνεται μετά από μερικές μόνο διαδρομές στην κοιλότητα.
Κάτω από το όριο, η συμπεριφορά επιβραδύνεται δραματικά. Ένα soliton μπορεί να απαιτεί εκατοντάδες ή χιλιάδες διαδρομές μετ’ επιστροφής για να ολοκληρώσει έναν μόνο αναπνευστικό κύκλο.
Μέχρι τώρα, οι ερευνητές βασίζονταν σε δύο ξεχωριστά μαθηματικά μοντέλα για να εξηγήσουν αυτά τα διαφορετικά καθεστώτα. Η νέα μελέτη αλλάζει αυτό δείχνοντας ότι και οι δύο συμπεριφορές μπορούν να περιγραφούν σε ένα ενιαίο πλαίσιο.
Η εργασία δημοσιεύτηκε με τη συμμετοχή της Dr Sonia Boscolo του Ινστιτούτου Φωτονικών Τεχνολογιών Aston Επιστολή φυσικής αναθεώρησης Σε μια εργασία με τίτλο “Ενοποιημένο μοντέλο για την αναπνοή Soliton σε λέιζερ ινών: διεργασίες σε όλα τα καθεστώτα κάτω και πάνω από το όριο.”
Μια ενοποιημένη εξήγηση για τη σύνθετη δυναμική λέιζερ
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα αναθεωρημένο μοντέλο που συνδυάζει δύο σημαντικούς παράγοντες: τη γρήγορη εξέλιξη του φωτός μέσα στην κοιλότητα του λέιζερ και την αργή αλλαγή στην τροφοδοσία του λέιζερ. Λαμβάνοντας υπόψη και τις δύο διαδικασίες μαζί, η ομάδα έδειξε ότι οι δύο μορφές αναπνοής δεν είναι ξεχωριστά φαινόμενα, αλλά μάλλον προέρχονται από σχετική υποκείμενη φυσική.
Ο Δρ Boscolo λέει:
“Σολιτόνια αναπνοής πάνω και κάτω από το όριο παρουσιάζουν αξιοσημείωτα διαφορετική συμπεριφορά. Τα αναπνευστικά σολιτόνια άνω του ορίου ταλαντώνονται γρήγορα και μπορούν να κλειδωθούν μέσα στην κοιλότητα, παράγοντας φάσματα ραδιοσυχνοτήτων που μοιάζουν με χτένα και καταστάσεις κλειδώματος συχνότητας υψηλότερης τάξης, με χαρακτηριστικές πλευρικές ζώνες στα οπτικά τους φάσματα, χωρίς αυστηρά φάσματα ραδιοσυχνότητας. πλευρικές ζώνες, η νέα μας προσομοίωση προβλέπει γρήγορους και αργούς κύκλους ταυτόχρονα, κάτι που προηγουμένως θεωρείτο αδύνατο με ένα μόνο μοντέλο.
“Η εργασία μας εισάγει ένα αναθεωρημένο διακριτό μοντέλο που ενσωματώνει την αργή δυναμική του μέσου κέρδους λέιζερ διατηρώντας τις λεπτομερείς λεπτομέρειες της κοιλότητας. Αυτό το ενοποιημένο πλαίσιο αναπαράγει με ακρίβεια όλες τις πειραματικά παρατηρούμενες συμπεριφορές και στις δύο αγωγές και αποκαλύπτει τους υποκείμενους μηχανισμούς τους: η αναπνοή κάτω από το όριο έχει ως αποτέλεσμα την έναρξη της αναπνοής με Q-bins.
«Αυτή η ανακάλυψη κλείνει ένα μακροχρόνιο κενό στην επιστήμη των λέιζερ και παρέχει ένα σημαντικό εργαλείο για το σχεδιασμό της επόμενης γενιάς τεχνολογιών που βασίζονται στο φως».
Μελλοντικές εφαρμογές για εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η νέα δομή θα μπορούσε να γίνει ένα σημαντικό εργαλείο για τους μηχανικούς που αναπτύσσουν μελλοντικά οπτικά συστήματα. Καθώς αυξάνεται η ζήτηση για πιο ισχυρή και αξιόπιστη τεχνολογία λέιζερ, το μοντέλο μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να προβλέψουν πιο αποτελεσματικά τη σύνθετη συμπεριφορά λέιζερ χωρίς να βασίζονται σε πολλαπλές αποσυνδεδεμένες προσομοιώσεις.
Η ομάδα ελπίζει ότι η εργασία θα χρησιμεύσει τελικά ως πρακτικός οδηγός για το σχεδιασμό της επόμενης γενιάς υπερταχέων λέιζερ που χρησιμοποιούνται στην ιατρική, την απεικόνιση, την κατασκευή και άλλες προηγμένες τεχνολογίες.
