Image du faisceau produit par le laser dans les expériences des chercheurs, montrant à quel point la solution au problème d'optimisation naturelle que le laser résout peut être complexe. Crédit :Wright et al.
La technologie laser confine la lumière à l'intérieur d'un résonateur contenant un milieu de gain, un matériau aux propriétés quantiques qui peut amplifier la lumière. Comme les résonateurs laser sont généralement bien plus grands que la longueur d'onde de la lumière, le laser à l'intérieur de leurs cavités peut se produire dans un large éventail de modèles, qui sont appelés modes.
Des études de physique antérieures ont montré que les modèles de laser possibles (c'est-à-dire, modes, ou combinaisons de modes) se font concurrence pour l'énergie et que le laser sélectionne alors le motif qui minimise la perte d'énergie. Ce « processus de sélection » pourrait être vaguement comparé à la sélection naturelle telle que décrite dans la théorie de l'évolution de Darwin, où les membres d'une espèce qui s'adaptent le mieux à leur environnement ont tendance à survivre et à produire plus de progéniture. De la même manière, les modèles de laser (c'est-à-dire, modes) qui utilisent au mieux leurs ressources énergétiques finissent par dominer les autres.
Peu de temps après l'invention des lasers, les physiciens ont commencé à se rendre compte que cette « concurrence » entre les modes peut être contrôlée de manière à ce que la technologie produise des impulsions remarquablement courtes, un phénomène qui est maintenant connu sous le nom de verrouillage de mode. Ce phénomène de synchronisation implique de nombreux modes du laser oscillant ensemble, formant des impulsions de plusieurs femtosecondes (10 -15 ss).
Le verrouillage de mode a lieu lorsque les concepteurs de laser introduisent un élément dans la cavité du laser qui fait en sorte que le motif laser qui utilise l'énergie plus efficacement se transforme en motif qui maximise l'intensité maximale du champ électrique du laser. Ce modèle s'avère être un modèle dans lequel de nombreux modes fonctionnent simultanément avec une phase synchronisée. Depuis sa découverte, le verrouillage de mode a été exploité dans de nombreux appareils, y compris l'optique à champ élevé et les peignes de fréquence.
Jusque là, ce phénomène de synchronisation a presque toujours été décrit comme l'auto-organisation de la lumière en une seule dimension, celui du temps. Néanmoins, il pourrait aussi potentiellement être compris comme un phénomène tridimensionnel, se manifeste à la fois dans le temps et dans l'espace.
Des chercheurs de l'Université Cornell, travailler avec une équipe de collaborateurs externes, ont récemment introduit une approche théorique qui pourrait aider à mieux comprendre le verrouillage de mode spatio-temporel 3D. Leur théorie, présenté dans un article publié dans Physique de la nature , s'appuie sur une série d'observations recueillies dans leurs études précédentes.
Image du faisceau produit par le laser dans les expériences des chercheurs, montrant à quel point la solution au problème d'optimisation naturelle que le laser résout peut être complexe. Crédit :Wright et al.
« En 2017, J'ai découvert que le verrouillage de mode était beaucoup plus général qu'on ne l'appréciait auparavant, " Dr Logan G. Wright, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Plutôt que d'être possible uniquement dans des conceptions laser très contraintes, J'ai découvert que le verrouillage de mode pouvait se produire même dans les "mauvaises" cavités laser avec de nombreux modes compliqués. Ce processus général de verrouillage de mode est appelé verrouillage de mode spatio-temporel."
L'observation du Dr Wright du verrouillage de mode spatio-temporel a surpris de nombreux chercheurs au sein de la communauté de la physique, car cela suggérait que la plupart des théories précédentes sur le phénomène étaient trop simplifiées. Son travail a essentiellement révélé que la physique des lasers peut être beaucoup plus «créative» que ce à quoi la plupart des physiciens s'attendaient.
« Dans cette nouvelle étude, nous voulions comprendre à quel point le laser pouvait être adaptatif pour trouver des solutions compliquées à ce problème d'optimisation et s'il existait un moyen plus général de comprendre comment les lasers résolvent ce problème, " a déclaré le Dr Wright. " En d'autres termes, fait-il toujours le meilleur usage de l'énergie ou y a-t-il d'autres activités ?"
Le Dr Wright et ses collègues ont proposé une nouvelle approche théorique appelée « dissecteur attracteur, ", ce qui pourrait aider à mieux comprendre comment le phénomène de verrouillage de mode spatio-temporel rapporté dans leurs travaux précédents peut conduire à une sélection de type "darwinien" parmi les motifs laser. Après avoir vérifié leur théorie en collectant des mesures détaillées, les chercheurs ont montré que les modèles de lumière assez complexes permis par le verrouillage de mode spatio-temporel peuvent généralement être conciliés avec la pression de sélection des modes et leur besoin d'utiliser efficacement l'énergie.
"En bref, nous avons pris une description mathématique rigoureuse du laser et l'avons considéré comme un problème d'optimisation que le laser essaie de résoudre, " expliqua le Dr Wright. " Cette description mathématique est ridiculement compliquée à traiter en général, mais dans les cas extrêmes, nous avons pu réduire le problème d'optimisation à l'optimisation d'une seule variable. Au moins dans ces cas, nous pourrions montrer que le laser semble fonctionner pour maximiser l'efficacité énergétique."
La théorie proposée par le Dr Wright et ses collègues fournit un modèle pour chacun des différents types d'impulsions 3D qu'ils ont observés dans le verrouillage de mode spatio-temporel. Cela peut à son tour aider à identifier les effets intracavités responsables de leur formation et de leur stabilité.
Image du faisceau produit par le laser dans les expériences des chercheurs, montrant à quel point la solution au problème d'optimisation naturelle que le laser résout peut être complexe. Crédit :Wright et al.
Globalement, les résultats recueillis par le Dr Wright et ses collègues sont alignés sur la compréhension antérieure du verrouillage de mode, pourtant, ils suggèrent que le phénomène peut être d'une nature beaucoup plus créative et complexe que ce que l'on pensait initialement. Les chercheurs ont également montré que les intuitions antérieures concernant le verrouillage de mode ne tiennent pas toujours, surtout lorsqu'un problème est très complexe.
"Les lasers multimodes peuvent être un endroit où les expérimentateurs peuvent étudier l'auto-organisation et la compétition de type darwinien dans des contextes très complexes (bien au-delà de ce qui peut être simulé sur des ordinateurs conventionnels), mais cela peut néanmoins être contrôlé (contrairement à la plupart des populations d'animaux dans la nature, par exemple), " Wright a dit. " Ainsi, ils peuvent être un bon endroit pour que les physiciens comprennent comment les systèmes complexes naturels s'auto-organisent."
En utilisant leur approche théorique, Le Dr Wright et ses collègues ont pu identifier plusieurs types différents de verrouillage de mode spatio-temporel 3D, tous n'ont pas d'analogues dans une seule dimension. Leurs résultats pourraient ainsi aider à découvrir des formes plus complexes de lumière cohérente, ce qui peut avoir des implications importantes à la fois pour la recherche et le développement technologique.
« Les lasers ont été d'une importance monumentale en permettant aux scientifiques de repousser les frontières de la mesure et de l'expérimentation :en physique et en chimie, la plupart des prix Nobel reposent sur une technique de mesure ou expérimentale qui a été rendue possible par une capacité laser particulière, " a déclaré le Dr Wright. " Alors, même si nous ne pouvons pas encore être trop précis, nous sommes enthousiasmés par ce que les nouvelles capacités laser peuvent permettre à terme pour les applications scientifiques (et industrielles). »
En expliquant comment fonctionne la technologie laser dans des régimes complexes, l'approche et les observations présentées par le Dr Wright et ses collègues pourraient ouvrir la voie au développement de nouveaux types de lasers dotés de capacités et de caractéristiques différentes. La théorie des chercheurs pourrait également améliorer la compréhension actuelle de la manière dont la physique complexe équivaut à une optimisation naturelle, potentiellement informer la conception de nouveaux algorithmes d'optimisation et d'intelligence artificielle.
« Chez NTT Research, au Laboratoire de Physique et Informatique, Je travaille maintenant à comprendre comment les systèmes physiques naturels effectuent des calculs et comment nous pouvons exploiter ces calculs, " Wright a déclaré. " Dans cet objectif, la capacité du laser multimode à résoudre des problèmes d'optimisation complexes en fait un système expérimental de premier ordre, et nous travaillons activement à la conception de machines optiques connexes qui exploitent cette capacité pour effectuer des simulations et résoudre des problèmes combinatoires complexes. Une étape importante sur laquelle je me concentre actuellement consiste à essayer de comprendre le rôle possible que les effets quantiques peuvent avoir sur les calculs naturels."
© 2020 Réseau Science X
