Kiedy w 1960 roku Theodore Maiman uruchomił pierwszy laser, jego sercem był kryształ syntetycznego rubinu, a całe urządzenie można było utrzymać w dłoni. Od tego czasu technologia zmieniła się nie do poznania.
Dziś lasery przesyłają dane światłowodami, pomagają lekarzom podczas operacji, odczytują kody kreskowe, a w fabrykach tną i spawają metale. Zmieniły się także ich rozmiary: niektóre eksperymentalne nanolasery mają zaledwie 170–280 nanometrów, czyli milionowych części milimetra.
Naukowcy próbują teraz pójść krok dalej i tworzyć układy złożone z wielu mikroskopijnych źródeł światła, które współpracują jak jeden laser. W przyszłości mogłyby one znaleźć zastosowanie między innymi w komputerach przetwarzających informacje za pomocą światła, optycznych sieciach neuronowych oraz urządzeniach pozwalających precyzyjnie sterować kształtem i kierunkiem wiązki laserowej.
Jest jednak pewien problem. Każdy laser emituje własną falę światła. Aby wiele oddzielnych źródeł zaczęło działać jak jeden zespół, ich fale muszą pozostawać ze sobą w stałym rytmie. Fizycy nazywają to synchronizacją fazową. Zsynchronizowane mikrolasery tworzą wówczas jeden wspólny stan światła, zwany „supermodem”.
Dotąd uzyskanie i kontrolowanie takiego efektu wymagało skomplikowanych struktur półprzewodnikowych, bardzo silnego oddziaływania światła z materią, a najczęściej również schładzania układu do niezwykle niskich temperatur, bliskich zeru absolutnemu.
Międzynarodowy zespół z udziałem naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej oraz Uniwersytetu w Southampton pokazał jednak, że można to zrobić znacznie prościej. Badacze zsynchronizowali oddalone od siebie obszary laserujące w temperaturze pokojowej, wykorzystując mikrownękę wypełnioną ciekłym kryształem i barwnikiem laserowym. Co więcej, mogli sterować ich współpracą za pomocą napięcia elektrycznego.
Mikrownęka, ciekły kryształ i barwnik
Sercem układu była mikroskopijna wnęka optyczna – bardzo cienka, kilkumikrometrowa przestrzeń zamknięta pomiędzy dwoma niemal idealnymi zwierciadłami – wypełniona ciekłym kryształem zmieszanym z organicznym barwnikiem laserowym. Próbkę zaprojektowali i wykonali naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej.
Następnie badacze oświetlili ją specjalnie ukształtowaną wiązką światła. Zamiast padać równomiernie na całą powierzchnię, tworzyła ona kilka oddalonych od siebie jasnych plamek. W każdej z nich pojawiała się emisja laserowa, plamki zaczynały działać jak osobne mikrolasery.
– Samo wykonanie próbki było dużym wyzwaniem technologicznym. Mikrownęka została wykonana na Wojskowej Akademii Technicznej w grupie prof. Wiktora Pieceka, a ciekłe kryształy zostały zsyntetyzowane przez zespół prof. Przemysława Kuli. Trzeba było jednocześnie dobrać odpowiedni barwnik, jego stężenie, rodzaj ciekłego kryształu oraz z dokładnością do kilkudziesięciu nanometrów ustawić grubość wnęki optycznej. Dopiero spełnienie wszystkich tych warunków pozwoliło uzyskać stabilne laserowanie – mówi dr hab. Jacek Szczytko, prof. ucz. z Wydziału Fizyki UW.
Każdy ze składników pełnił w układzie inną funkcję. Barwnik wzmacniał światło i umożliwiał powstanie emisji laserowej, natomiast ciekły kryształ pozwalał zmieniać właściwości całego układu za pomocą pola elektrycznego. Dzięki temu badacze mogli nie tylko uruchomić oddzielne mikrolasery, lecz także wpływać na sposób, w jaki oddziaływały one ze sobą.
Przyłożenie napięcia zmieniało ułożenie cząsteczek ciekłego kryształu, a wraz z nim sposób rozchodzenia się światła wewnątrz mikrownęki. To pozwoliło naukowcom osłabiać lub wzmacniać oddziaływanie między mikrolaserami, a nawet rozdzielić źródła, które wcześniej działały wspólnie jak jeden laser.
Synchronizacja bez egzotycznej fizyki
Największym zaskoczeniem było to, że oddalone od siebie mikrolasery zsynchronizowały się, choć światło stosunkowo słabo oddziaływało z materiałem wypełniającym mikrownękę.
Dotąd podobną synchronizację obserwowano przede wszystkim w znacznie bardziej skomplikowanych układach, w których światło i materiał wpływają na siebie tak silnie, że zaczynają zachowywać się jak jedna całość.
– Światło i materia oddziałują w tym wypadku słabo, a mimo to odległe plamki laserowe spontanicznie synchronizują się i zachowują jak jedno wspólne źródło światła. Pokazuje to, że do uzyskania kolektywnego zachowania światła nie zawsze potrzebne są egzotyczne stany kwantowe. Czasami wystarczy odpowiednio zaprojektować sposób propagacji światła. To rozszerza nasze spojrzenie na mechanizmy odpowiedzialne za synchronizację i otwiera drogę do znacznie prostszych technologicznie platform fotonicznych – wyjaśnia badacz.
Jak fotony rozmawiają na odległość?
Skoro lasery nie były połączone przewodami, w jaki sposób zdołały się zsynchronizować?
Kluczową rolę odegrały fotony wydostające się z każdej świecącej plamki. Silne oświetlenie nieznacznie zmieniało właściwości materiału w miejscu, w którym działał mikrolaser, powodując dwie rzeczy. Po pierwsze subtelnie zmieniał się kolor emitowanego z każdej plamki światła. Fizycy nazywają ten efekt przesunięciem ku niebieskiemu. W ten sposób pobudzane silnie plamki wyróżniały się na tle obszarów słabiej pobudzanych lub nie pobudzanych wcale. Na tej długości fali mogły się ze sobą komunikować. Po drugie, w próbce w miejscu plamki tworzył się obszar o nieco innym współczynniku załamania, co rozpraszało nieco światło na boki, przez to część emitowanego światła była wypychana poza oświetlony obszar.
Fotony przemieszczały się następnie wzdłuż mikrownęki i docierały do sąsiednich plamek. Światło z jednego mikrolasera wpływało więc na emisję drugiego, a ten odpowiadał własnym światłem. W ten sposób lasery zaczynały wymieniać między sobą fotony.
Ta wzajemna wymiana działała jak sprzężenie. Wzmacniały się fale, które pasowały do obu mikrolaserów i mogły utworzyć jeden wspólny układ. Pozostałe stopniowo zanikały.
Ostatecznie lasery zachowywały stałą relację między fazami swoich fal: mogły drgać zgodnie albo w przeciwnych fazach, ale nie robiły tego już niezależnie. Zaczynały działać jak jeden rozciągnięty w przestrzeni laser, czyli supermod.
– Można wyobrazić sobie sieć wielu plamek, w której sąsiadujące ze sobą lasery przekazują synchronizację dalej, podobnie jak fala rozchodząca się wzdłuż łańcucha. Oznacza to, że nawet bardzo rozległe układy mogą zachowywać spójność, o ile zachowane są odpowiednie warunki propagacji światła. Ostateczny zasięg synchronizacji zależy od konstrukcji wnęki, napięcia przyłożonego do ciekłego kryształu oraz warunków wzbudzania laserowanie – mówi prof. Jacek Szczytko.
Czy tysiące mikrolaserów mogą działać jak jeden?
Kolejnym krokiem będzie sprawdzenie, czy w ten sam sposób można zsynchronizować nie kilka, lecz setki, a nawet tysiące mikrolaserów. Z punktu widzenia fizyki jest to możliwe, jednak im większy układ, tym trudniej dostarczyć do niego energię i utrzymać odpowiednią temperaturę.
– Nasze wyniki pokazują, że dzięki odpowiedniemu sprzężeniu można sprawić, aby wszystkie zachowywały się jak jeden wspólny laser – tworząc tzw. supermod. Z punktu widzenia fizyki nie ma fundamentalnej przeszkody, aby taki supermod obejmował bardzo dużą powierzchnię. Znacznie większym wyzwaniem są kwestie inżynierskie: dostarczenie energii do tysięcy laserów oraz odprowadzanie powstającego ciepła. Ciekłe kryształy są wrażliwe na temperaturę, dlatego kontrola termiczna stanie się jednym z najważniejszych problemów przy budowie bardzo dużych układów. To jednak dokładnie ten rodzaj wyzwań, który pojawia się zawsze wtedy, gdy nowe odkrycie zaczyna przechodzić z laboratorium do praktycznych zastosowań – podsumowuje prof. Szczytko.
