Polscy naukowcy stworzyli nowy mikrolaser. Jak można go wykorzystać?

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej i Uniwersytetu w Southampton zaprojektowali mikrolaser umożliwiający emitowanie dwóch wiązek kołowych.

Kulisy ich działań zostały przedstawione w artykule dostępnym w Physical Review Applied. Publikacja opisuje, jak wykorzystanie mikrownęki, w której precyzyjnie ustawiono cząsteczki, doprowadziło do pojawienia się dwóch fal świetlnych o przeciwnych polaryzacjach liniowych. Pole elektryczne zmieniło orientację cząsteczek wewnątrz mikrownęki optycznej, a to z kolei wywołało zmianę efektywnego współczynnika załamania warstw ciekłego kryształu.

Czytaj też: W polikryształach odkryto rzadki stan kwantowy. Nadchodzą lepsze ekrany LCD i precyzyjniejsze lasery

Dzięki temu członkowie zespołu badawczego mogli kontrolować długość drogi optycznej światła, z którą jest związana barwa emitowanego światła. O ile jeden z modów nie doświadczał zmiany swojej energii wraz z obracaniem się cząsteczek, tak energia drugiego wzrastała wraz ze zmianą orientacji tych cząstek.

Wcześniej, chcąc utworzyć coś, co określa się mianem trwałej spirali spinowej, naukowcy wypełnili mikrownękę ciekłym kryształem z domieszką organicznego barwnika laserującego. Zwierciadła ustawione w odległości około 2-3 mikronów od siebie doprowadziły do powstania stojącej fali elektromagnetycznej. Między zwierciadłami znalazł się natomiast ciekły kryształ pełniący rolę medium, przez które rozchodzą się fale elektromagnetyczne.

Mikrolaser powstał z udziałem naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego i Wojskowej Akademii Technicznej

Światło wewnątrz mikrownęki oddziałuje z cząsteczkami na różne sposoby. Dzieje się tak, kiedy pole elektryczne rozchodzącej się fali oscyluje wzdłuż cząsteczek i gdy oscylacje są względem nich prostopadłe. Ciekły kryształ można natomiast scharakteryzować dwoma współczynnikami załamania światła, zależnymi od kierunku oscylacji pola elektrycznego. Taka konstrukcja sprawiła ostatecznie, że laser emitował jedną liniowo spolaryzowaną wiązkę prostopadłą do powierzchni zwierciadeł.

Na tym jednak nie koniec. Jak wyjaśnia prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, obrócenie cząsteczek ciekłego kryształu w taki sposób, by energie obu wiązek znalazły się w rezonansie, sprawiło, że światło emitowane z mikrownęki zmieniło polaryzację z liniowej na dwie kołowe: prawoskrętną i lewoskrętną. Obie rozchodziły się w różnych kierunkach, pod kątem kilkunastu stopni. Obecnie laser działa impulsowo, lecz zastąpienie emitera organicznego trwalszymi polimerami albo materiałami nieorganicznymi mogłoby wydłużyć czas jego działania.

Czytaj też: Od teraz każdy może być Supermanem. Powstał odpowiednik jego laserowych oczu

Uzyskany precyzyjnie przestrajalny laser może mieć zastosowanie w wielu dziedzinach fizyki, chemii, medycynie czy komunikacji. Zjawiska nieliniowe wykorzystujemy do stworzenia w pełni optycznej sieci neuromorficznej. Taka nowa fotoniczna architektura może stanowić potężne narzędzie uczenia maszynowego służące do rozwiązywania złożonych problemów klasyfikacji i wnioskowania, a także do przetwarzania dużych ilości informacji z coraz większą szybkością i wydajnością energetyczną.

Barbara Pietka, Uniwersytet Warszawski