Des scientifiques de l'Université de Varsovie, de l'Université militaire de technologie et de l'Université de Southampton ont présenté un nouveau type de microlaser accordable émettant deux faisceaux. "Ces faisceaux sont polarisés circulairement et dirigés selon des angles différents", explique le prof. Jacek Szczytko de la Faculté de Physique de l'Université de Varsovie. Cette réalisation a été obtenue en créant l'hélice dite à spin persistant à la surface de la microcavité. Les résultats ont été publiés dans Physical Review Applied .

Pour obtenir cet effet, les scientifiques ont rempli la microcavité optique avec un cristal liquide dopé avec un colorant laser organique. La microcavité est constituée de deux miroirs parfaits placés à proximité l'un de l'autre - à une distance de 2-3 microns - de sorte qu'une onde électromagnétique stationnaire se forme à l'intérieur. L'espace entre les miroirs était rempli d'un support optique spécial - le cristal liquide - qui était en outre organisé à l'aide d'un revêtement miroir spécial.

"La caractéristique des cristaux liquides sont leurs molécules allongées et, au sens figuré, ils étaient" peignés "à la surface des miroirs et pouvaient se dresser sous l'influence d'un champ électrique externe, transformant également d'autres molécules remplissant la cavité", explique premier auteur, Marcin Muszynski, de la Faculté de Physique de l'Université de Varsovie.

La lumière dans la cavité interagit avec les molécules de différentes manières lorsque le champ électrique de l'onde se propageant oscille le long des molécules et lorsque les oscillations leur sont perpendiculaires. Le cristal liquide est un milieu biréfringent - il peut être caractérisé par deux indices de réfraction, qui dépendent de la direction des oscillations du champ électrique (c'est-à-dire la soi-disant polarisation des ondes électromagnétiques).

L'arrangement précis des molécules à l'intérieur de la microcavité laser, obtenu à l'Université militaire de technologie, a entraîné l'apparition de deux modes de lumière polarisés linéairement dans la cavité, c'est-à-dire deux ondes lumineuses stationnaires avec des polarisations linéaires opposées. Le champ électrique a modifié l'orientation des molécules à l'intérieur de la cavité optique, ce qui a modifié l'indice de réfraction effectif des couches de cristaux liquides. Ainsi, il contrôlait la longueur du soi-disant chemin optique de la lumière - le produit de la largeur de la cavité et de l'indice de réfraction dont dépend l'énergie (couleur) de la lumière émise. One of the modes did not change its energy as the molecules rotated, while the energy of the other increased as the orientation of the molecules changed.

By optically stimulating the organic dye placed between the molecules of the liquid crystal, a lasing effect was obtained—coherent light radiation with a strictly defined energy. The gradual rotation of the liquid crystal molecules led to unexpected properties of this lasing. The lasing was achieved for this tunable mode:The laser emitted one linearly polarized beam perpendicular to the surface of the mirrors. The use of liquid crystals allowed for a smooth tuning of the light wavelength with the electric field by as much as 40 nm.

"However, when we rotated the liquid crystal molecules so that both energy of modes—the one sensitive to the orientation of the molecules and the one that did not change its energy—overlapped (that is, they were in resonance), the light emitted from the cavity suddenly changed its polarization from linear to two circular:right- and left-handed, with both circular polarities propagating in different directions, at an angle of several degrees," says Prof. Jacek Szczytko, from the Faculty of Physics of the University of Warsaw.

The phase coherence of the laser has been confirmed in an interesting way. "The so-called persistent-spin helix—pattern of stripes with different polarization of light, spaced 3 microns apart—appeared on the surface of the sample. Theoretical calculations show that such a pattern can be formed when two oppositely polarized beams are phase coherent and both modes of light are inseparable—this phenomenon is compared to quantum entanglement," explains Marcin Muszynski.

So far, the laser works in pulses because the organic dye that was used slowly photodegrades under the influence of intensive light. Scientists hope that replacing the organic emitter with more durable polymers or inorganic materials (e.g., perovskites) will allow for longer lifetime.

"The obtained precisely tunable laser can be used in many fields of physics, chemistry, medicine and communication. We use nonlinear phenomena to create a fully optical neuromorphic network. This new photonic architecture can provide a powerful machine learning tool for solving complex classification and inference problems, and for processing large amounts of information with increasing speed and energy efficiency," adds Prof. Barbara Pietka, from The Faculty of Physics UW. + Explorer plus loin

The optical Stern-Gerlach Deflection and Young's experiment in the reciprocal space