Les lasers à mode verrouillé sont des lasers avancés qui produisent des impulsions lumineuses très courtes, avec des durées allant de femtosecondes à picosecondes. Ces lasers sont largement utilisés pour étudier les phénomènes optiques ultrarapides et non linéaires, mais ils se sont également révélés utiles pour diverses applications technologiques.
Des chercheurs du California Institute of Technology ont récemment exploré le potentiel des lasers à modes verrouillés en tant que plates-formes pour étudier les phénomènes topologiques. Leur papier, publié dans Physique naturellesouligne le potentiel de ces lasers pour étudier et réaliser une nouvelle physique topologique non hermitienne, avec diverses applications potentielles.
« L’idée d’utiliser la robustesse topologique et la protection topologique pour les dispositifs photoniques a attiré une attention considérable au cours de la dernière décennie, mais il reste à savoir si de tels comportements peuvent apporter des avantages pratiques substantiels », a déclaré Alireza Marandi, auteur principal de l’article, à Phys.org.
« Nous avons exploré cette question spécifiquement pour les lasers et les dispositifs photoniques non linéaires dont les fonctionnalités sont intrinsèquement non linéaires. Par ailleurs, le domaine de la physique topologique évolue également autour de l’interaction de la topologie et de la non-linéarité et les plates-formes expérimentales pour de telles explorations sont relativement rares. «
L’objectif de la récente étude menée par Marandi et ses collègues était double. D’une part, ils souhaitaient ouvrir de nouvelles opportunités pour l’étude des comportements topologiques non linéaires, tandis que d’autre part, ils souhaitaient élargir l’application pratique de la physique topologique dans les lasers à modes verrouillés.
« D’un point de vue expérimental, notre plate-forme est un réseau de résonateurs multiplexés dans le temps, composé de nombreuses impulsions synchronisées dans un long résonateur », a expliqué Marandi. « Les impulsions peuvent être couplées les unes aux autres de manière contrôlable à l’aide de lignes à retard précises. Cela nous permet de créer un réseau programmable de résonateurs à grande échelle avec une flexibilité considérable. Ce n’est pas facile sur d’autres plates-formes. »
Dans un article antérieur publié en 2022, les chercheurs ont exploré les phénomènes topologiques dans les résonateurs photoniques à grande échelle, mais spécifiquement en régime linéaire. Dans le cadre de leur nouvelle étude, ils ont utilisé les mêmes résonateurs pour mettre en œuvre des lasers couplés à mode verrouillé.
L’équipe a montré que le modèle d’impulsion produit par ces lasers peut bénéficier de phénomènes non hermitiens et topologiques. Essentiellement, ils ont créé un laser à modes verrouillés, à impulsions multiples, à longue cavité et ont introduit un nœud à l’intérieur (c’est-à-dire couplant ses impulsions de manière topologique).
« La flexibilité de notre approche expérimentale nous a permis à la fois d’étudier l’intersection de la topologie et du verrouillage du mode laser et de réaliser une physique topologique non hermitienne qui n’avait pas encore été démontrée dans les systèmes photoniques », a déclaré Marandi.
« Par exemple, nous avons constaté que la synergie entre la topologie non hermitienne et la dynamique non linéaire de notre système produisait spontanément des modes cutanés dans notre laser à mode verrouillé. Cela contraste fortement avec les systèmes topologiques linéaires non hermitiens, où les modes cutanés doivent être sondés avec une source externe. »
Ces travaux récents de Marandi et de ses collaborateurs démontrent la promesse des lasers à modes verrouillés pour l’étude de la physique topologique, jusqu’à présent difficiles d’accès expérimentalement. En outre, leur étude pourrait inspirer l’utilisation de lasers à mode verrouillé pour développer de nouvelles technologies de détection, d’informatique et de communication.
De plus, dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé le laser qu’ils ont développé pour confirmer la robustesse d’un modèle mathématique utilisé pour étudier le comportement de particules se déplaçant de manière aléatoire, connu sous le nom de modèle Hatano-Nelson, contre la localisation induite par le désordre. Bien que ce modèle ait été largement étudié auparavant, il n’avait pas encore été démontré sur une plateforme photonique à mode verrouillé.
« Spécifiquement à cette réalisation, nous avons exploré plus en détail la robustesse du modèle Hatano-Nelson contre la localisation induite par le désordre et comment il pourrait permettre la conception de sources robustes en peigne de fréquence », a déclaré Marandi. « En général, ce type de robustesse contre quelque chose est suivi d’une sensibilité envers autre chose. »
Dans leurs prochaines études, Marandi et ses collègues tenteront d’utiliser leur approche pour sonder l’utilisation du modèle Hatano-Nelson comme capteur à sensibilité accrue. En outre, ils espèrent que leur étude incitera d’autres équipes à expérimenter l’utilisation de lasers à modes verrouillés pour étudier les phénomènes physiques topologiques.
« Nous pensons également que notre plate-forme peut constituer un terrain fertile pour explorer un vaste ensemble de phénomènes topologiques non linéaires et non hermitiens qui ne sont pas facilement accessibles », a ajouté Marandi. « Un exemple qui nous intéresse est l’interaction entre la formation des solitons et les comportements topologiques. »
Plus d’information:
Christian R. Leefmans et al, Laser topologique à mode temporel verrouillé, Physique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02420-4
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