Dodano: 24 marca 2022r.

Warszawscy fizycy współtwórcami mikrolasera świecącego dwiema wiązkami kołowymi

Naukowcy opracowali nowy typ przestrajalnego mikrolasera, który świeci dwiema wiązkami spolaryzowanymi kołowo i skierowanymi pod różnymi kątami. Sukces ten udało się osiągnąć dzięki wytworzeniu specjalnej mikrownęki tzw. trwałej helisy spinowej. W badaniach brali udział polscy naukowcy.

Warszawscy fizycy współtwórcami mikrolasera świecącego dwiema wiązkami kołowymi

 

Na łamach pisma „Physical Review Applied” (DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.014041) ukazała się publikacja naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej oraz University of Southampton. Badacze zaprezentowali w niej nowy typ przestrajalnego mikrolasera, świecącego dwiema wiązkami. Jak przyznał cytowany w opublikowanym komunikacie prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, wiązki te są spolaryzowane kołowo i skierowane pod różnymi kątami.

Ciekłe kryształy i mikrownęki

Do uzyskania opisanego efektu uczeni wypełnili mikrownękę optyczną ciekłym kryształem, w którym rozpuszczono barwnik laserujący. Opis mikrownęki w komunikacie przedstawia ją jako „dwa doskonałe lustra położone blisko siebie – w odległości 2-3 mikronów, tak, żeby wewnątrz powstała stojąca fala elektromagnetyczna”. Przestrzeń znajdująca się pomiędzy lustrami została wypełniona ciekłym kryształem, który dodatkowo uporządkowano stosując szczególne pokrycie luster.

- Obrazowo mówiąc, ciekłe kryształy, które charakteryzują się wydłużonymi molekułami, zostały na powierzchni luster „uczesane” i mogły pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego wstawać, obracając także inne molekuły wypełniające wnękę – tłumaczy cytowany w komunikacie pierwszy autor pracy Marcin Muszyński, doktorant na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

„Światło we wnęce inaczej oddziałuje z molekułami, gdy pole elektryczne propagującej się fali drga wzdłuż molekuł, a inaczej gdy jest prostopadłe do nich. Ciekły kryształ jest ośrodkiem dwójłomnym – można go scharakteryzować dwoma współczynnikami załamania światła, które zależą od kierunku drgań pola elektrycznego, czyli od tzw. polaryzacji fali elektromagnetycznej. Precyzyjne uporządkowanie molekuł wewnątrz mikrownęki lasera, uzyskane na Wojskowej Akademii Technicznej sprawiło, że we wnęce pojawiły się dwa spolaryzowane liniowo mody światła – dwie fale stojące światła o przeciwnych polaryzacjach liniowych. Pole elektryczne zmieniało orientację molekuł wewnątrz wnęki optycznej, co zmieniało jej współczynnik załamania. Tym samym sterowało długością tzw. drogi optycznej światła – iloczynu szerokości wnęki i współczynnika załamania, od której zależała energia (kolor) emitowanego światła. Jeden z modów nie zmieniał swojej energii podczas obrotu molekuł, natomiast energia drugiego rosła, gdy zmieniała się orientacja molekuł” - czytamy w informacji udostępnionej na stronach internetowych Uniwersytetu Warszawskiego.

Potencjalne zastosowania

Naukowcy z UW wyjaśniają też, że „pobudzając do świecenia barwnik organiczny, umieszczony pomiędzy molekułami ośrodka, uzyskano laserowanie – spójne promieniowanie światła o ściśle określonej energii charakterystyczne dla lasera”. Wskazują też na obserwację ciekawego zachowania wiązki lasera podczas strojenia, czyli stopniowego obrotu molekuł ciekłego kryształu. „Laserowanie udało się uzyskać dla tego strojonego modu: laser emitował jedną wiązkę spolaryzowaną liniowo prostopadle do swojej powierzchni. Zastosowanie ciekłych kryształów pozwoliło na płynne strojenie polem elektrycznym długości fali światła aż o 40 nanometrów”. Jak opisuje dalej prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW, „po obróceniu molekuł ciekłego kryształu w taki sposób, że oba mody – ten wrażliwy na orientację molekuł i ten niezmieniający swojej energii – się na siebie nałożyły (czyli były w rezonansie), światło emitowane z wnęki nagle zmieniało swoją polaryzację z liniowej na dwie kołowe: prawo- i lewo- skrętną, przy czym obie polaryzacje kołowe rozchodziły się w innych kierunkach pod kątem kilku stopni”.

Muszyński w informacji UW przyznaje również, że „na powierzchni próbki utworzyła się tzw. trwała helisa spinowa – wzór prążków o różnej polaryzacji światła oddalonych od siebie o 3 mikrony. Obliczenia teoretyczne wskazują, że taki wzór może utworzyć się wtedy, gdy dwie przeciwnie spolaryzowane kołowo wiązki są spójne fazowo i oba mody światła są nieseparowalne”. Takie zjawisko porównuje się do splątania kwantowego.

Mikrolaser działa obecnie impulsowo, bo organiczny barwnik ulega stopniowej fotodegradacji pod wpływem światła. Być może perowskity albo inne trwalsze polimery mogłyby go zastąpić, co, jak mają nadzieję naukowcy, poskutkowałoby wydłużeniem czasu pracy lasera. Badacze uważają, że opracowany przez nich laser może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach fizyki, chemii, w medycynie czy komunikacji. Może zostać też użyty do stworzenia nowej architektury dla uczenia maszynowego, co pozwoliłoby na szybsze rozwiązywanie złożonych problemów oraz na przetwarzanie dużych ilości informacji z coraz większą wydajnością energetyczną.

 

Źródło: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, fot. Mateusz Król/ Wydział Fizyki UW