Physiker haben einen Mikrolaser entwickelt, der zwei kreisförmige Strahlen aussendet

Wissenschaftler der Universität Warschau, der Military University of Technology und der University of Southampton stellten einen neuartigen abstimmbaren Mikrolaser vor, der zwei Strahlen aussendet. „Diese Strahlen sind zirkular polarisiert und in unterschiedliche Winkel gerichtet“, sagt Prof. Jacek Szczytko von der Fakultät für Physik der Universität Warschau. Diese Errungenschaft wurde durch die Erzeugung der sogenannten Persistent-Spin-Helix auf der Oberfläche der Mikrokavität erreicht. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Körperliche Überprüfung angewendet.

Um diesen Effekt zu erzielen, füllten die Wissenschaftler die optische Mikrokavität mit einem Flüssigkristall, der mit einem organischen Laserfarbstoff dotiert war. Die Mikrokavität besteht aus zwei perfekten Spiegeln, die in einem Abstand von 2-3 Mikrometern nahe beieinander platziert sind, so dass sich im Inneren eine stehende elektromagnetische Welle bildet. Der Raum zwischen den Spiegeln wurde mit einem speziellen optischen Medium – Flüssigkristall – gefüllt, das zusätzlich durch eine spezielle Spiegelbeschichtung organisiert wurde.

„Das charakteristische Merkmal von Flüssigkristallen sind ihre langgestreckten Moleküle, die, bildlich gesprochen, auf der Oberfläche der Spiegel ‚gekämmt‘ wurden und unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Felds aufstehen konnten, wodurch auch andere Moleküle, die den Hohlraum füllten, gedreht wurden“, sagt sie Erstautor, Marcin Muszynski, von der Fakultät für Physik der Universität Warschau.

Das Licht in der Kavität interagiert auf unterschiedliche Weise mit den Molekülen, wenn das elektrische Feld der sich ausbreitenden Welle entlang der Moleküle schwingt und wenn Schwingungen senkrecht zu ihnen sind. Der Flüssigkristall ist ein doppelbrechendes Medium – er kann durch zwei Brechungsindizes charakterisiert werden, die von der Richtung der elektrischen Feldoszillationen (dh der sogenannten elektromagnetischen Wellenpolarisation) abhängen.

Die genaue Anordnung von Molekülen innerhalb des Lasermikrohohlraums, die an der Military University of Technology erhalten wurde, führte zum Auftreten von zwei linear polarisierten Lichtmoden im Hohlraum – dh zwei stehenden Lichtwellen mit entgegengesetzten linearen Polarisationen. Das elektrische Feld veränderte die Orientierung der Moleküle innerhalb des optischen Resonators, was den effektiven Brechungsindex der Flüssigkristallschichten veränderte. Somit steuerte es die Länge des sogenannten optischen Lichtwegs – das Produkt aus der Breite des Hohlraums und dem Brechungsindex, von dem die Energie (Farbe) des emittierten Lichts abhängt. Einer der Moden änderte seine Energie nicht, wenn sich die Moleküle drehten, während die Energie des anderen zunahm, wenn sich die Ausrichtung der Moleküle änderte.

Durch optische Anregung des zwischen den Molekülen des Flüssigkristalls platzierten organischen Farbstoffs wurde ein Lasereffekt erzielt – kohärente Lichtstrahlung mit genau definierter Energie. Die allmähliche Drehung der Flüssigkristallmoleküle führte zu unerwarteten Eigenschaften dieses Laserns. Das Lasern wurde für diesen abstimmbaren Modus erreicht: Der Laser emittierte einen linear polarisierten Strahl senkrecht zur Oberfläche der Spiegel. Die Verwendung von Flüssigkristallen ermöglichte eine sanfte Abstimmung der Lichtwellenlänge mit dem elektrischen Feld um bis zu 40 nm.

„Als wir jedoch die Flüssigkristallmoleküle so drehten, dass sich beide Energiemoden – diejenige, die auf die Ausrichtung der Moleküle anspricht und diejenige, die ihre Energie nicht änderte – überlappten (das heißt, sie befanden sich in Resonanz), wurde das Licht emittiert aus dem Hohlraum änderte plötzlich seine Polarisation von linear zu zwei zirkularen: rechts- und linkshändig, wobei sich beide zirkularen Polaritäten in unterschiedliche Richtungen ausbreiten, in einem Winkel von mehreren Grad“, sagt Prof. Jacek Szczytko von der Fakultät für Physik der Universität Warschau.

Die Phasenkohärenz des Lasers wurde auf interessante Weise bestätigt. „Die sogenannte Persistent-Spin-Helix – ein Streifenmuster mit unterschiedlicher Lichtpolarisation im Abstand von 3 Mikrometern – erschien auf der Oberfläche der Probe. Theoretische Berechnungen zeigen, dass ein solches Muster gebildet werden kann, wenn zwei entgegengesetzt polarisierte Strahlen phasenkohärent sind und beide Lichtarten sind untrennbar – dieses Phänomen wird mit der Quantenverschränkung verglichen“, erklärt Marcin Muszynski.

Bisher arbeitet der Laser gepulst, weil der verwendete organische Farbstoff unter dem Einfluss von intensivem Licht langsam photoabbaut. Die Wissenschaftler hoffen, dass der Ersatz des organischen Emitters durch haltbarere Polymere oder anorganische Materialien (z. B. Perowskite) eine längere Lebensdauer ermöglichen wird.

„Der erhaltene präzise abstimmbare Laser kann in vielen Bereichen der Physik, Chemie, Medizin und Kommunikation eingesetzt werden. Wir verwenden nichtlineare Phänomene, um ein vollständig optisches neuromorphes Netzwerk zu erstellen. Diese neue photonische Architektur kann ein leistungsstarkes Werkzeug für maschinelles Lernen zur Lösung komplexer Klassifizierungen und Schlussfolgerungen bereitstellen Probleme und zur Verarbeitung großer Informationsmengen mit zunehmender Geschwindigkeit und Energieeffizienz“, fügt Prof. Barbara Pietka von der Fakultät für Physik der UW hinzu.