Оптические резонаторы, которые распространяют и ограничивают свет (например, в лазерах), в настоящее время используются во множестве приложений всех размеров — от точечных источников света размером меньше человеческого волоса до измерительных устройств километрового масштаба, таких как лазерный интерферометр. Обсерватория гравитационных волн (LIGO) — эксперимент, который обнаруживает гравитационные волны.
Устройства, известные как параметрические генераторы света, относятся к числу широко используемых нелинейных резонаторов в оптике; они «нелинейны» в том смысле, что свет втекает в систему и свет выходит наружу, но не на одинаковых длинах волн. Хотя эти генераторы полезны во множестве приложений, в том числе в экспериментах по квантовой оптике, физика, лежащая в основе поведения их выходной длины волны или спектра, не совсем понятна.
«Когда вы добавляете резонаторам сильную нелинейность, вы входите в то, что мы называем« богатым физическим режимом », — говорит Алиреза Маранди , доцент кафедры электротехники и прикладной физики. «Богатый» в терминах физики обычно означает сложный и трудный в использовании, но нам нужны нелинейности для создания полезных функций, таких как переключение для вычислений ».
Чтобы в полной мере использовать нелинейно-оптические резонаторы, исследователи хотят понимать и моделировать физику, лежащую в основе их работы. С этой целью Маранди и его коллеги недавно обнаружили потенциальный способ создания этой богатой физики, одновременно обнаружив фазовые переходы в свете, который генерируется резонаторами. Статья об их результатах была опубликована 5 февраля в Nature Communications .
Обычно термин «фазовый переход» заставляет задуматься об изменении физического состояния материи; например, вода при атмосферном давлении переходит из газа в жидкость при 100 градусах Цельсия и из жидкости в твердое тело (лед) при 0 градусах Цельсия. Эта аналогия резкого изменения состояния и поведения в определенной точке также помогает объяснить спектральные фазовые переходы, которые Маранди и его коллеги отметили в оптических резонаторах.
В своей работе команда Маранди построила оптический резонатор из оптического волокна и специальный нелинейный волновод из ниобата лития, искусственной соли, используемой в различных электронных и оптических приложениях. Нелинейный резонатор может генерировать свет, длина волны которого примерно в два раза превышает длину волны входящего света. Когда они точно настроили резонатор на разную длину, они обнаружили, что спектр генерируемого света претерпевает резкие изменения на определенной длине, похожие на фазовые переходы в физической материи.
Их открытие имеет как фундаментальное, так и практическое значение. По сути, фазовые переходы — это хорошо понимаемое и легко моделируемое явление, которое может помочь упростить «богатую» физику нелинейно-оптических резонаторов. Практически их можно было использовать при построении датчиков. «Фазовые переходы полезны, потому что они усиливают отклик, который вы видите, при небольшом изменении входного сигнала», — говорит Маранди. Они также могут стать «механизмом переключения» в будущих архитектурах оптических вычислений.
Статья называется « Спектральные фазовые переходы в оптических параметрических генераторах ».