En fas det går igenom | natur

En fas det går igenom | natur

Anonim

När vi observerar laserljus mäter vi vanligtvis dess intensitet, och så vågamplitud. Fasen, som kodar för ytterligare detaljer om laserens interna funktioner, var oklar - men färskt ljus kastas på den.

Se vågor på havet. De kan kännetecknas av deras höjd (amplitud) och av när topparna anländer (fas); utan amplitud och fas finns det ingen våg. Ljus är också en våg, men en som består av intimt länkade elektriska och magnetiska fält. För det mesta kan vi från experimentet bara dra slutsatsen av ljusvågornas amplitud: denna mängd ges av intensiteten som medeltal över tiden, som lätt mäts.

Vågens fas ignoreras däremot ofta. Men den innehåller också subtil, men inte mindre viktig information om vågen och de fysiska mekanismerna som producerade den. Att veta exakt vad fasen gör innebär att följa dynamik som kan vara för snabb att spåra direkt, ganska till skillnad från havsvågor, som är enkla att spåra med ögat. Vanligtvis har vårt enda handtag på fasen vid frekvenserna för optiskt ljus varit interferensmönstren som kastas av ljusvågorna. Inte längre: på sidan 698 i detta nummer 1, Kröll et al . direkt se både amplituden och ljusfasen i en operativ halvledarlaser.

Deras laser är en kvantkaskadelaser 2, som består av flera lager av två eller flera halvledare. Under påverkan av en likströms elektrisk spänning (känd som en förspänning) faller elektroner i atomer i halvledarmaterialet nedför en trappa med kvantmekaniska nivåer, vilket ger ut en foton vid varje steg (fig. 1). En av de mest spännande aspekterna av kvantkaskadstrategier är att det således avgivna ljuset har mycket låga frekvenser som inte kan produceras med konventionella lasrar. Den hittills visade lägsta frekvensen är cirka 1, 6 terahertz (THz, 10 12 Hz). Detta är nära de klockfrekvenser som är vanliga i höghastighetselektronik, och öppnar så upp för den lockande utsikterna för en ytterligare konvergens mellan fotonisk och elektronisk teknik. Konventionella lasrar fungerar som jämförelse nära infraröda eller synliga frekvenser. Denna skillnad översätts till svängningsperioder på omkring ett picosekund (10 −12 s) för terahertz kvantkaskadlasrar, jämfört med runt ett femtosekund (10 −15 s) för synliga eller nära infraröda lasrar. På terahertz-tidsskalor är det alltså mycket lättare att lösa både amplituder och faser i tid.

a, I en konventionell halvledarkvantbrunnslaser genomgår en elektron en övergång mellan ett kvantmekaniskt tillstånd i ledningsbandet och ett tillstånd i valensbandet. Detta kan ses som en rekombination av en elektron (e - ) med ett hål (h + ). I processen sänds ut en foton vars frekvens bestäms av energiförskjellen mellan de initiala och slutliga elektronstillstånden. I kvantkaskadlasern är övergången mellan två kvantmekaniska nivåer (vanligtvis) i ledningsbandet. b, När många kvantbrunnsstrukturer (QW) strukturer staplas upp i en kvantkaskadlaser matas den lägre nivån i ett steg till den övre nivån på nästa. En elektron kaskader genom strukturen och producerar så många fotoner som det finns stadier.

Bild i full storlek

Huvudskillnaden mellan en normal halvledare och en laser är att om frekvensen för en ljusstråle lysande på halvledaren är över den grundläggande absorptionskanten (frekvensen som behövs för att främja en elektron från valensbandet till ledningsbandet), är intensiteten av ljuset faller exponentiellt när det passerar genom mediet och dess energi absorberas. En laser vänder den här bilden på huvudet: ljus utvinner faktiskt energi från mediet. Denna energi lagras som en inverterad population - det vill säga många elektroner bor på en högre energinivå, medan ett lägre energitillstånd är i stort sett tomt. När elektroner i det övre tillståndet genomgår kvantmekaniska övergångar till det lägre tillståndet avges en foton vars energi (och så frekvens) ges av skillnaden mellan energin i de två nivåerna. Till att börja med växer ljus fröat av denna "spontana utsläpp" exponentiellt i intensitet när ljuset sprider sig i lasermediet och plockar upp fler och fler fotoner.

Men en laser är mer än ett optiskt förstärkningsmedium: den utnyttjar feedback genom ljuset som delvis reflekteras av speglarna i vardera änden av förstärkningsmediet för att bygga upp ljusintensiteten till stora värden. Om nettoljusförstärkningen överstiger ljusförluster genom olika processer för spridning och absorption finns nettovinst, och strukturen upprätthåller lasersvängningar. Den relativt lilla, men ofta mycket intensiva, mängden sammanhängande ljus som rymmer genom en ändspegel är den resulterande 'stimulerade emissionen' - laserljus, som vi känner till det. Inuti laserkaviteten kan ljusintensiteten emellertid vara mycket större.

Hittills har det inte funnits något ord om fas; dessa enkla idéer balanserar bara energi eller kraft. Tidsmedelvärde optisk effekt är direkt relaterad till ljusets amplitud, inte fasen. Men fas gör hela skillnaden. Laserns förstärkningsmedium är i själva verket en samling "dipoler" som svänger (tror att elektroner studsar på fjädrar) med samma frekvens som sondljuset och som själva avger spontant ljus. Om de oscillerar ur fas med det injicerade ljuset kommer de att förstöra destruktivt och dämpa det; detta är absorption. Men om de är i fas följer konstruktiv störning - förstärkning.

Hur kan vi då hitta ett fönster på dessa inre funktioner i en halvledarlaser? Kröll och kollegas tillvägagångssätt 2 innebär att injicera en separat pulsad terahertz-våg i förstärkningsmediet för en kvantkaskadelaser som arbetar vid cirka 2, 9 THz. När denna sondpuls lämnar lasern igen analyseras både dess amplitud och fas. De resulterande snedvridningarna i denna "tidsform" ger en unik bild av vad som händer inne i lasern.

Författarna observerar att mediet vid noll elektrisk förspänning absorberar mediet ett antal frekvenser som finns i sondpulsen. När förspänningen ökas, men fortfarande ligger under snörningströskeln, utvecklas förstärkningen när de kvantmekaniska nivåerna mellan på varandra följande kaskader bringas i linje. Denna process tillåter elektroner att ockupera de stater som är nödvändiga för att bygga upp inversion av befolkningen, och de snedvridningar som sondpulsen orsakar indikerar hur ljuset förstärks vid vad som kommer att vara lastsfrekvensen. Denna distorsion dyker upp direkt som en fasflik i den del av terahertz-pulsen som är vid laserfrekvensen.

Fram till denna tid fungerar kvantkaskadelasern som en optisk förstärkare och uppvisar förstärkt spontan emission. Men när förspänningen ökas utanför lasertröskeln, stimuleras stimulerad utsläpp avsevärt. Kröll et al . lösa denna stimulerade emission i tid genom att utföra en Fourier-analys på de förvrängda terahertz-pulserna och bryta dem ned i deras beståndsfrekvenser. Författarna observerar uppbyggnaden av pulsen när den gör på varandra följande turer fram och tillbaka genom laserhålrummet, sådd av laserprocessen och förstärks ytterligare av mediet; och de ser "förstärkningsklemma", när mediet inte kan leverera mer vinst.

Teknikerna utvecklade av Kröll et al . kan användas för att korrelera distorsionerna i sondpulserna med olika snabba störningar på lasern. Arbetet lovar en serie studier av laserdynamik och koherenta icke-linjära optiska egenskaper som hittills inte varit genomförbara. Att veta hur en laser återhämtar sitt stabila tillstånd efter störningar gör det möjligt att avslöja grundläggande aspekter av den underliggande fysiken i lasern 3 . Dessutom kan liknande experiment belysa ultrasnabba icke-linjära fenomen 4, till exempel den senaste observationen av koherenta instabiliteter relaterade till "Rabi-oscillationer" som förekommer i kvantkaskadlasrar 5 - men inte i halvledarlasrar av andra typer.

Betydelsen av en mer fullständig förståelse av faktorer som begränsar förstärkning, orsakar förluster och styr olinjära optiska processer i lasrar kan inte överskattas. Framtida generationer av terahertz-enheter med högre effekt, lägre driftsfrekvenser och ultrasnabb pulsad drift kommer att hitta arbete inom en rad applikationer, inklusive spektroskopi, handel och säkerhet.

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.