Ottenuto microlaser sintonizzabile che emette due raggi. I raggi sono polarizzati circolarmente e diretti ad angoli differenti. Crediti:Mateusz Krol, Facoltà di Fisica, Università di Varsavia
Scienziati dell'Università di Varsavia, dell'Università di tecnologia militare e dell'Università di Southampton hanno presentato un nuovo tipo di microlaser sintonizzabile che emette due fasci. "Questi raggi sono polarizzati circolarmente e diretti a diverse angolazioni", afferma il prof. Jacek Szczytko della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia. Questo risultato è stato ottenuto creando la cosiddetta elica di spin persistente sulla superficie della microcavità. I risultati sono stati pubblicati in Physical Review Applied .
Per ottenere questo effetto, gli scienziati hanno riempito la microcavità ottica con un cristallo liquido drogato con un colorante laser organico. La microcavità è costituita da due specchi perfetti posti uno vicino all'altro, a una distanza di 2-3 micron, in modo che all'interno si formi un'onda elettromagnetica stazionaria. Lo spazio tra gli specchi è stato riempito con uno speciale mezzo ottico, il cristallo liquido, che è stato ulteriormente organizzato utilizzando uno speciale rivestimento a specchio.
"La caratteristica dei cristalli liquidi sono le loro molecole allungate e, in senso figurato, erano 'pettinate' sulla superficie degli specchi e potevano reggersi sotto l'influenza di un campo elettrico esterno, trasformando anche altre molecole che riempivano la cavità", afferma primo autore, Marcin Muszynski, della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia.
La luce nella cavità interagisce con le molecole in modi diversi quando il campo elettrico dell'onda che si propaga oscilla lungo le molecole e quando le oscillazioni sono perpendicolari ad esse. Il cristallo liquido è un mezzo birifrangente, può essere caratterizzato da due indici di rifrazione, che dipendono dalla direzione delle oscillazioni del campo elettrico (cioè la cosiddetta polarizzazione dell'onda elettromagnetica).
La precisa disposizione delle molecole all'interno della microcavità laser, ottenuta presso la Military University of Technology, ha portato alla comparsa di due modalità di luce polarizzate linearmente nella cavità, ovvero due onde stazionarie di luce con polarizzazioni lineari opposte. Il campo elettrico ha cambiato l'orientamento delle molecole all'interno della cavità ottica, che ha cambiato l'indice di rifrazione effettivo degli strati di cristalli liquidi. Pertanto, controllava la lunghezza del cosiddetto percorso ottico della luce, il prodotto della larghezza della cavità e dell'indice di rifrazione da cui dipende l'energia (colore) della luce emessa. 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. + Esplora ulteriormente
