Schéma de principe du laser à phonons dans un système de résonateurs composés :deux résonateurs microtoroïdes µR1 (vert) et µR2 (bleu), sont couplés entre eux par des champs évanescents. Le premier résonateur prend en charge un mode optique à Q élevé a1, et un mode mécanique de fréquence de résonance m. Le deuxième résonateur µR2, prend en charge un mode optique à faible Q a2, et son taux d'amortissement est réglé par une nanopointe de silice recouverte de chrome approchant le µR2. Crédit: Photonique de la nature , nature.com/articles/s41566-018-0213-5
Les quanta de base de lumière (photon) et de son (phonon) sont des particules bosoniques qui obéissent en grande partie à des règles similaires et sont en général de très bons analogues les uns des autres. Les physiciens ont exploré cette analogie dans des recherches expérimentales récentes sur un laser à phonons pour donner un aperçu d'une question longuement débattue sur la façon dont un laser - ou plus précisément, sa largeur de ligne est affectée lorsqu'elle est utilisée à un point exceptionnel (EP). Les points exceptionnels sont des singularités dans les fonctions énergétiques d'un système physique au cours desquelles deux modes lumineux fusionnent (se combinent en un seul mode) pour produire des effets inhabituels. Jusque récemment, le concept n'existait principalement qu'en théorie, mais a reçu une attention renouvelée avec des démonstrations expérimentales dans des systèmes optiques tels que des lasers et des structures photoniques. Les études expérimentales ont porté sur des systèmes à symétrie parité-temps pour un gain et une perte de matière équilibrés, pour assurer une intensité lumineuse robuste, immunisé contre la rétrodiffusion. Alors que les systèmes physiques fermés et sans perte sont décrits par les opérateurs hermitiens en physique quantique, les systèmes aux frontières ouvertes qui présentent des points exceptionnels (PE) ne sont pas hermitiens.
Les études expérimentales de l'EP concernent principalement de tels systèmes symétriques en temps de parité qui exploitent intelligemment l'interaction entre le gain et la perte pour permettre des fonctionnalités entièrement nouvelles et inattendues. Dans un tel saut conceptuel, les effets optiques inhabituels produits dans ces systèmes ont rendu le support invisible dans une direction, une étape vers des matériaux optiques de nouvelle génération dotés de propriétés uniques que l'on ne voit pas avec les matériaux naturels. De tels concepts ont initié des efforts de recherche intenses pour explorer les systèmes non hermitiens à la fois expérimentalement et théoriquement.
Avant la démonstration expérimentale du premier laser, Schawlow et Townes ont calculé la limite quantique fondamentale de sa largeur de raie; Les PE sont historiquement associés à un élargissement extrême de la largeur de raie laser, au-delà de la limite fondamentale de Schawlow-Townes. Bien que les modèles théoriques aient fourni un cadre pour calculer la largeur de raie laser, ils ne parviennent pas à résoudre le problème directement au PE. Expérimentalement, il n'est pas simple de diriger un laser directement vers un EP, puisque les modes laser photoniques deviennent instables à proximité d'un EP, provoquant un effet laser chaotique qui pourrait être perçu à tort comme une ligne laser extrêmement large.
Ce qu'il advient réellement de la largeur de ligne lorsqu'un laser fonctionne à un EP en pratique est donc resté incertain jusqu'à présent. Comprendre les mécanismes responsables de l'élargissement de la largeur de ligne permettra aux ressources laser de disposer de nouvelles capacités auxquelles nous n'avions pas accès auparavant. Zhang et al., fournir une nouvelle stratégie élégante pour s'attaquer à ce problème tel que publié dans Photonique de la nature , en travaillant avec un laser à phonons plutôt que son homologue optique (photonique), d'observer son fonctionnement à un point exceptionnel.
Réglage d'un laser à phonons sur un point exceptionnel :la première colonne est un schéma de la répartition des supermodes optiques a± dans les deux résonateurs. La deuxième colonne illustre la différence de fréquence et les largeurs de raie des deux supermodes optiques a±. La dernière colonne représente la largeur de raie du laser à phonons. Le PE auquel les deux supermodes optiques fusionnent est en c, surligné en rouge. Le système transite depuis des supermodes optiques bien séparés et répartis symétriquement en a, b, à des supermodes qui se chevauchent de plus en plus avec un chevauchement complet vu à c. Poussé par les modes optiques, le laser à phonons hérite du bruit optique accru, traduit par une largeur de trait mécanique élargie (boîte rouge). Le régime après le PE est vu en d, e, éloigner le système du PE conduisant à un rétrécissement de la largeur de raie du laser à phonons. Crédit: Photonique de la nature , nature.com/articles/s41566-018-0213-5
Dans l'étude, les lasers à phonons produisent des oscillations sonores cohérentes (vibrations mécaniques) induites par pompage optique, un concept précédemment développé par Grudinin, Vahala et ses collègues, avec des caractéristiques typiques des lasers à photons. Dans la présente expérience, les chercheurs ont utilisé un système optomécanique similaire avec deux microrésonateurs couplés en silice en mode galerie de chuchotement (vert et bleu). Le système laser à phonons composé a été dirigé vers ou loin de son EP pour observer le comportement du laser phonon à proximité d'un EP.
Pour observer l'élargissement de la largeur de ligne, les physiciens ont excité optiquement le mode mécanique du dispositif expérimental avec la lumière d'un laser accordable couplé à un seul microrésonateur (vert) au moyen d'une fibre effilée. Puis, orienter le système vers ou loin de son PE, ils ont introduit une perte supplémentaire dans le deuxième microrésonateur (bleu) à l'aide d'une pointe de nanofibre de silice revêtue de chrome.
L'interaction entre le gain et la perte a été exploitée de cette manière pour accorder un laser à phonons à un EP. Le laser phonon est interprété comme un processus paramétrique à trois ondes dans lequel deux ondes sont optiques et la troisième onde est acoustique ou mécanique. Zhang et al. a fourni des preuves expérimentales directes pour montrer un chevauchement complet des supermodes optiques à EP, et que le bruit optique amélioré EP peut être transféré directement au bruit mécanique, conduisant à l'élargissement de la largeur de raie observé dans les lasers à phonons.
Les avantages pratiques sont faciles à saisir :les ondes sonores se propagent à une vitesse inférieure d'environ cinq ordres de grandeur à la vitesse de la lumière, et la longueur d'onde du son est donc d'autant plus courte que celle de la lumière de même fréquence. Cette fonctionnalité peut permettre une haute précision, mesures et imagerie non destructives, ainsi que d'atteindre une concentration élevée d'énergie avec des ondes sonores focalisées. Le présent travail ouvre de nouvelles perspectives pour la relation entre le bruit et la physique non hermitienne, avec des applications potentielles dans des domaines connexes tels que les technologies de traitement du signal. Le système peut être utilisé comme un dispositif phononique sur puce analogue aux dispositifs photoniques entièrement intégrés pour le traitement de l'information. Plus intéressant, la plate-forme étudiée peut élargir les connaissances en physique non hermitienne en permettant la détection et le contrôle des PE dans des systèmes à deux ou plusieurs niveaux.
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