Dalla realizzazione della prima cavità laser sono state poste innumerevoli domande alle quali la luce laser ha fornito la risposta. Sono state inoltre poste numerose domande nel tentativo di migliorare le nostre capacità di produrre laser con varie specifiche di prestazione e lunghezze d'onda. Una domanda che non è stata posta fino a poco tempo fa è:cosa succede se si fa brillare un raggio laser attraverso un'altra cavità laser? Potrebbe non sembrare una domanda pratica da porre sperimentalmente, ma dopo aver studiato in dettaglio quantitativo come la luce incidente esterna interagisce con una cavità laser attiva, la risposta risulta offrire dispositivi con nuovi, capacità ottiche apparentemente paradossali.

Ora, uno sguardo ancora più ravvicinato a queste capacità ha fornito una finestra unica sulla fisica fondamentale e sui comportamenti ottici. La collaborazione nella ricerca di queste interazioni della cavità laser, dal College of Optics and Photonics (CREOL) della University of Central Florida e dalla Yale University, sviluppato uno specchio unidirezionale perfettamente riflettente, offrendo finestre di osservazione veramente nascoste; qualcosa che i materiali passivi possono solo approssimare.

Approfondendo il meccanismo di questo comportamento paradossale, hanno anche ora rivelato aspetti fondamentali di ciò che regola le risposte ottiche e una visione diretta del ruolo della causalità. Ayman Abouraddy, Gruppo CREOL - Dispositivi in ​​fibra ottica multimateriale dell'Università della Florida centrale, presenteranno i risultati del loro gruppo a Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), tenutosi dal 17 al 21 settembre 2017 a Washington, DC.

"Una cavità è uno dei componenti fondamentali che abbiamo nell'ottica:sono fondamentalmente due specchi uno di fronte all'altro, " Ha detto Abouraddy. "Abbiamo esaminato cosa accadrebbe se invio un raggio di luce attraverso una tale cavità con guadagno all'interno mentre gradualmente aumento la quantità di guadagno. Stiamo studiando cosa succede alla luce che viene inviata attraverso una cavità se la cavità è attiva".

Modificando la quantità di guadagno, cambia anche la risposta ottica della cavità a un laser incidente separato (di lunghezza d'onda diversa). Questo componente attivo modifica in modo misurabile la riflessione e la trasmissione, a seconda del livello di guadagno attivo della cavità.

"Mentre aumentiamo la quantità di guadagno, la cavità si lascerà da sola. Per la nostra ricerca di oggi, siamo più interessati a cosa succede a un segnale che sto inviando attraverso quella cavità, " Ha detto Abouraddy.

Quando la cavità inizia a lassarsi, però, appare un cambiamento affascinante e importante nel comportamento. A quel punto, sia la riflessione che l'amplificazione di trasmissione sono al massimo, sebbene la potenza del segnale di tastatura rimanga linearmente correlata all'uscita. Ciò dimostra anche che l'effetto non è vicino alla saturazione.

"La cavità non può amplificare oltre un certo limite dopo aver colpito il laser, " disse Abouraddy. Questo effetto, noto come guadagno di bloccaggio, è parte integrante del funzionamento stabile del laser. La risposta simile alla luce incidente esterna, però, che si presta ad uno specchio perfetto veramente trasparente, non solo è nuovo, ma offre una nuova visione della fisica fondamentale.

La dimostrazione sperimentale del team ha utilizzato una cavità in fibra ottica in cui hanno separato la luce che viaggia in avanti e all'indietro. Quando hanno studiato da vicino la dinamica del flusso di energia direzionale nella cavità quando tale guadagno è stato aumentato, ciò che hanno trovato in relazione ai principi fisici fondamentali.

Abouraddy spiega che con un guadagno sufficiente, come la luce compie viaggi nella cavità in entrambe le direzioni, un nulla nel flusso di energia in cui le due direzioni si annullano si insinua gradualmente più in profondità nella cavità. Il comportamento di questo nullo collega la soglia fondamentale di un laser ad una dimostrazione diretta dei limiti di causalità.

"Alla soglia laser, quel nulla arriva a metà della cavità. Risulta aumentando ulteriormente il guadagno, quel nulla si rifiuta di andare avanti, ed è fissato al centro della cavità, " ha detto. "Ecco perché quando aumentiamo il guadagno, non vediamo ulteriore amplificazione. Ora la bellezza di tutta questa faccenda è che si scopre che è collegata alla causalità. Se quel nulla dovesse andare oltre la metà della cavità, che sarebbe una violazione della causalità. In questo caso, si otterrebbe un output da esso prima di inviare un input."