圣路易斯華盛頓大學的研究人員已經(jīng)找到了一種按照他們的指令提供光子或光包的方法。
研究人員利用一種光域的慷慨的能量狀態(tài)，在他們的激光系統(tǒng)中制造光子，使得其在一個一致的模式中傳輸，順時針方向或逆時針方向。
對于所有激光系統(tǒng)和應用中得到一個可靠的強的光子信號和光脈沖，光的傳播中的一致性是很重要的。僅僅激光一項，就是與數(shù)十億美元產(chǎn)業(yè)應用程序相關，從信息通信到醫(yī)學上的激光脫毛。然而，這種一致性也適合于當前和未來的光學傳感裝置中的應用，可用于氣溶膠檢測器或癌癥的檢測。
楊蘭，是一名電氣系統(tǒng)工程系的埃德溫&佛羅倫薩·斯金納教授，奧茲德米爾是一名研究助理教授，兩人都在工程與應用科學學院，其合作者有位于維也納科技大學的斯特凡·羅特和位于德國奧托·馮·格里克大學的簡·威爾斯哥，他們共同探索了一種稱為特殊點的物理現(xiàn)象，這種點會強迫光子沿著順時針或逆時針方向運動，而不是隨機方向運動。
這一研究結(jié)果已發(fā)表在本月的《美國國家科學院學報》上。
這種特殊的點出現(xiàn)在物理場中，是當復雜的特征值和特征向量合并或成為一樣時會發(fā)生。這些都是描述一個物理系統(tǒng)的數(shù)學工具。把這種特殊點看作一個復雜的迷人的環(huán)境，往往是會有不可預測的和違反直覺的現(xiàn)象發(fā)生。
例如，發(fā)表與2014年《自然》雜志上的一篇論文，楊和奧茲德米爾描述了利用特殊點在激光器系統(tǒng)中增加損耗，但卻使得實際的功率增加，也就說如果你愿意，損耗會增加功率。隨著物理學上的研究進展，異常點肯定會在不就的將來要促成一些更多的反直覺的科研活動和結(jié)果。
楊和奧茲德米爾引入光學領域特殊點的存在是通過加入兩個二氧化硅的散射體或納米尖端，這有助于創(chuàng)造完美的場景，讓人想起了一個特殊的點。利用納米位移臺系統(tǒng)，博士上彭博，調(diào)整散射體之間的距離和相對大小，增加微震諧振腔在光學領域的擾動，召喚出一個特殊的點，他也是2014個《科學》雜志論文的第一作者。因此，他們是有一個可控的系統(tǒng)的。
“這項研究的一個令人興奮的事情之一是，它提出了一個按需控制的激光，”楊說。通過改變散射體的位置，你可以改變激光器的工作制度。這將打開基于激光器的新的功能器件的可能性。”
“這項研究進一步增強了我們利用微環(huán)激光器的能力，不僅可利用增加損耗作功率的提升，正如我們以前取得的那樣，而且可以精確控制激光的方向，”彭說。
他們使用的微諧振器是一類叫做回音壁模式諧振器(WGMRs),因為他們的工作方式和同樣著名的回音壁，即在倫敦的圣保羅大教堂的圓頂類似，在一側(cè)的人可以聽到墻另一邊的人所說的話。WGMR裝置的工作頻率與光的頻率相似而不是聲音頻率。
光從WGMR通過錐形光纖波導兩側(cè)進行注入和耦合。納米位移平臺控制散射，并探測WGM的手性。在散射的情況下，當光在順時針或逆時針方向注入WGMR中，共振峰會出現(xiàn)在傳輸譜中，反射端是沒有信號獲得的。
“當系統(tǒng)通過散射體的輔助取得一個特殊的點，這一狀態(tài)會發(fā)生變化，“奧茲德米爾說。“只有一個注射方向時，反射譜顯示了一個明顯的共振峰。這種不對稱的反射，是手性的一種獨特的特點，即一個模式的固有屬性。”
在物理系統(tǒng)中可以存在有多個特殊點。
“把系統(tǒng)放在不同的特殊點中的結(jié)果，僅為表現(xiàn)出其他注射方向的反射峰的出現(xiàn)，” 奧茲德米爾說。
楊補充說：“因此，我們可以控制模式的手性從系統(tǒng)的一個特殊的點到另一個。”
研究團隊然后建立了特殊點位置不對稱反射和激光模式的固有手性之間的關聯(lián)。為了這個目的，他們用摻鉺WGM微諧振器。鉺作為一種摻雜劑，相比用于激發(fā)激光的光會增加不同波長的激光活性。
在一個特殊的點的情況下，所發(fā)出的光從鉺到WGM可以同時順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。這使得從WGM微環(huán)激光器中提取激光是低效的。而在一個特殊的點上，光子將以一致的方式移動，無論是在順時針或逆時針方向。
“我們現(xiàn)在已經(jīng)對回音壁模式的手性行進行了控制，因此激光的發(fā)射方向要多虧特殊點的存在，”楊說。“我們把散射體放置在哪以及我們讓他們改變工作制度的程度，增加技術的通用性。”
“我們可以調(diào)整回音壁模式使其具有有雙向性(順時針或逆時針方向)的微環(huán)激光器或單向激光器，在順時針或逆時針方向進行激光發(fā)射。通過由該系統(tǒng)的一個特殊的點到另一個特殊點的過渡，我們完全可以讓發(fā)射方向翻轉(zhuǎn)，” 奧茲德米爾說。
結(jié)果為WGMR提供了一種用于激光、傳感、光和量子電動力學新的功能。
“該小組的研究結(jié)果再次證明，如果設計得當，特殊的點、工程的損耗和散射，提供了一種在光學科學中解決那些阻礙技術發(fā)展和限制設備實用性問題的新技巧，”楊說。
“這項研究進一步增強了我們利用激光器的能力，不僅可通過損耗提高功率，正如我們以前取得的那樣，而且可以對激光方向進行精確控制，”彭說。
研究人員說，他們的研究結(jié)果將有助于開發(fā)新的控制光流的技術，為手性光子的芯片鋪平了道路，并可能影響到光學領域以外的科學領域。他們已經(jīng)開始利用并展示了特殊點處，非厄米光子學的其他違反直覺的特點。
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