Учёные установили «руль» на лазер
2025-09-18
Хиральный лазер может точно возбуждать или излучать только один определённый режим колебаний, подавляя все ненужные режимы. По сравнению с обычным лазером он более «избирателен» и «точен», что открывает широкие перспективы применения в квантовой оптике, биосенсорике, оптической связи и других областях.
Команда академика Чжэн Ваньхуа из Института полупроводников Китайской академии наук предложила инновационный путь реализации хирального излучения лазера с помощью фотонного кристалла, что даёт новое решение для создания практических чиповых хиральных лазеров.
1.Двойной вызов
Когда люди думают о лазере, в их воображении часто возникает прямой луч света, например, из сканера в супермаркете или лазерной указки.
На самом деле лазер может не только распространяться по прямой, но и вращаться, как гироскоп, по «левому» или «правому» направлению. Эта особенность напоминает хиральность молекул или объектов (например, зеркальную симметрию левой и правой руки). В таких сферах, как фармацевтика, биодиагностика и квантовые технологии, где важно различать левую/правую хиральность, хиральный лазер оказывается более «профессиональным» и удобным в использовании.
Суть хирального лазера заключается в том, чтобы луч света имел чётко выраженную и единственную хиральность (например, левовращающуюся или правовращающуюся спираль). Однако хиральность света легко теряется под влиянием симметрии, а хиральные режимы крайне чувствительны к температурным изменениям и дефектам материала.
Слишком сложная конструкция для подавления не-хиральных режимов может сильно снизить эффективность лазера, делая его непрактичным. Поэтому главная научная задача — обеспечить высокоэффективное возбуждение и стабильное управление хиральным лазером, одновременно соблюдая требования интеграции и практической применимости.
2.Коллективный резонанс для включения хирального лазера
Новый путь излучения хирального лазера, предложенный исследовательской командой, состоит из двух этапов. Сначала разрабатывается активный фотонный кристалл с круговой границей, который с помощью эффекта рассеяния на границе превращает разрозненные моды фотонного кристалла в коллективные колебания.
Иллюстрация коллективных колебаний
Коллективные колебания — это явление, при котором несколько независимых резонаторов взаимодействуют друг с другом, формируя общие колебания, при этом резонансные характеристики совокупной системы существенно отличаются от характеристик отдельных резонаторов. Например, если поочерёдно ударять по ряду колоколов, каждый из них издаёт свой тон, но при одновременном колебании возникает совершенно новая гармония.
Коллективные колебания обычно создаются на основе взаимодействующих резонансных систем в реальном пространстве. Под действием эффекта рассеяния на круговой границе несколько изначально независимых направленных мод фотонного кристалла начинают изотропно взаимодействовать, формируя в импульсном пространстве двойную вырожденную коллективную осцилляцию. Это позволяет сильно концентрировать световой пучок и значительно повышает эффективность передачи энергии.
Принцип коллективных колебаний
3.Установка «руля» на лазер
Реализация коллективных колебаний — лишь первый шаг. Как заставить лазер вращаться влево или вправо? Ключевым моментом является нарушение симметрии.
Исследовательская группа изящно применила технологию «асимметричного накачивания». Проще говоря, энергия подаётся в кристалл с разных точек, как если бы двум гироскопам с противоположными направлениями вращения придали разную силу толчка, заставив один из них доминировать. Это позволило успешно получить лазер с единственной хиральностью.
Для подтверждения реализации однохирального излучения лазера команда провела эксперимент: заставила лазер «интерферировать сам с собой». Как при встрече волн на воде возникают светлые и тёмные полосы, так и хиральный лазер создаёт уникальные «крестообразные полосы». Направление перекреста полос для левовращающегося и правовращающегося лазеров противоположно, наглядно демонстрируя их вращательные свойства.
Ещё более удивительно, что центр этого лазера не излучает свет, формируя «фазовую особенность» — как центр водоворота, где вся энергия вращается вокруг точки.
Традиционные устройства для создания вихревого лазера обычно громоздки и сложны по конструкции. Хиральные лазеры не только имеют более компактную и интегрированную конструкцию, но и предоставляют новые возможности управления в измерении «хиральности» света.
Характеристики хирального вихревого излучения
Это исследование демонстрирует изысканное мастерство управления на микроуровне и открывает новые подходы к созданию практических чиповых вихревых лазеров. Такие лазеры могут стать высококачественным источником света для квантовых и фотонных вычислений, сенсоров, микроманипуляций и хиральной идентификации.
