物理学家创造了一种能发射两束圆形光束的微激光器

发表时间:2022-04-02 17:05

国际联合研究团队最近在《Physical Review Applied》杂志上发表一篇文章,解释了一种新型可调谐微激光,它能发射两束光。“这些光束是圆偏振的,并且指向不同的角度。”华沙大学物理系的Jacek Szczytko教授说。这一成就是通过在微腔表面创建所谓的持续自旋螺旋获得的。

获得了两束可调谐微激光器。光束是圆偏振的,并以不同的角度定向。来源:Mateusz Krol, Faculty of Physics, University of Warsaw

为了达到这一效果,科学家们在光学微腔中填充了掺有有机激光染料的液晶。这种微腔由两个完美的镜子组成,它们彼此靠近,距离为2-3微米,这样就可以在腔内形成一个固定的电磁波。镜子之间的空间填充了一种特殊的光学介质-液晶,它是另外用一种特殊的镜子涂层组织起来的。

“液晶的特征是它们细长的分子,打个比方说,它们梳在镜子的表面,可以在外部电场的影响下站立,也会转动填充空腔的其他分子。”来自华沙大学物理系的第一作者Marcin Muszynski说。

染料掺杂LCMC中的激光。

当传播波的电场沿着分子振荡时,当振荡垂直于分子时,腔内的光以不同的方式与分子相互作用。液晶是一种双折射介质,具有两种折射率,这取决于电场振荡的方向(即所谓的电磁波极化)。

在军事科技大学获得的激光微腔内分子的精确排列,导致了腔内出现两种线偏振光模式。电场改变了光腔内分子的方向,从而改变了液晶层的有效折射率。因此,它控制所谓的光路的长度——光腔宽度和折射率的乘积,而折射率是发射光的能量(颜色)所依赖的。其中一种模态的能量不随分子旋转而改变,而另一种模态的能量则随分子方向的改变而增加。

通过对放置在液晶分子之间的有机染料进行光刺激,获得了具有严格定义能量的相干光辐射的激光效应。液晶分子的逐渐旋转导致了这种激光的意想不到的特性。激光实现了这种可调模式:激光发射一个垂直于反射镜表面的线偏振光束。液晶的使用使得光的波长随着电场的变化可以平滑地调整多达40纳米。

Rashba-Dresselhaus共振激光。

“然而,当我们旋转液晶分子,使对分子取向敏感的模式和不改变其能量的模式的能量重叠时(也就是说,它们处于共振状态)从空腔发出的光突然改变了它的偏振从线性到两个圆形:右和左手,两个圆极性在不同的方向上传播,以若干度的角度。”华沙大学物理系的Jacek Szczytko教授说。

“激光的相位相干性以一种有趣的方式得到了证实。所谓的持续-自旋螺旋条纹模式,具有不同的光偏振,间隔3微米,出现在样品的表面。理论计算表明,当两束相对偏振光相参且两种光模不可分时,可以形成这样的图案——这种现象可以与量子纠缠相比较。”Marcin Muszynski解释说。

到目前为止,由于所使用的有机染料在强光的影响下缓慢光降解,激光器以脉冲方式工作。科学家们希望用更耐用的聚合物或无机材料(如钙钛矿)取代有机发射体,可以延长寿命。

持续自旋螺旋激光器:用于实空间成像的斯托克斯参数(a)S1,(b)S2和(c)S3。顶部插图中的直方图对应于沿y方向的正值和负值。

“获得的精确可调谐激光器可用于物理、化学、医学和通信的许多领域。我们利用非线性现象创建一个完全光学的神经形态网络。这种新的光子结构可以提供一个强大的机器学习工具,用于解决复杂的分类和推理问题,并以更快的速度和更高的速度处理大量信息能源效率。”华盛顿大学物理学院的 Barbara Pietka教授补充道。

来源:Realizing Persistent-Spin-Helix Lasing in the Regime ofRashba-Dresselhaus Spin-Orbit Coupling in a Dye-Filled Liquid-Crystal OpticalMicrocavity, Physical Review Applied (2022).