Nature Physics: Открыта новая система управления хаотическим поведением света

Использование света и управление им имеет огромное значение для развития технологий, включая сбор энергии, вычисления, связь и биомедицинское зондирование. Однако в реальных условиях сложность поведения света создает проблемы для его эффективного управления.

Физик Андреа Алу сравнивает поведение света в хаотических системах с начальным ударом в бильярде.

В бильярде крошечные изменения в способе запуска шара с кием приводят к тому, что шары разлетаются по столу, — говорит Алу, профессор физики имени Эйнштейна в Центре подготовки выпускников CUNY, директор-основатель Инициативы по фотонике в Центре перспективных научных исследований CUNY и заслуженный профессор CUNY.

Световые лучи действуют аналогичным образом в хаотической полости. Становится трудно моделировать, чтобы предсказать, что произойдет, потому что можно проводить эксперимент много раз с одинаковыми настройками, и каждый раз получать разный ответ.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, группа специалистов под руководством исследователей из CUNY Graduate Center описывает новую платформу для управления хаотическим поведением света путем настройки его рассеяния с помощью самого света. Проект возглавляли соавторы Сюэфэн Цзян (Xuefeng Jiang), бывший постдокторский исследователь в лаборатории Алу, а ныне доцент кафедры физики Университета Сетон Холл, и Шишионг Инь (Shixiong Yin), аспирант в лаборатории Алу.

Традиционные платформы для изучения поведения света обычно используют резонансные полости круглой или правильной формы, в которых свет отражается и рассеивается по более предсказуемым закономерностям. Например, в круглой полости сохраняются только предсказуемые и определенные частоты (цвета света), и каждая поддерживаемая частота связана с определенным пространственным паттерном, или модой.

Одной моды на одной частоте достаточно для понимания физики, действующей в круговом резонаторе, но такой подход не позволяет раскрыть всю сложность поведения света, наблюдаемую в сложных платформах.

В полости, поддерживающей хаотические паттерны света, любая отдельная частота, подаваемая в полость, может возбудить тысячи световых паттернов, что, как принято считать, сводит на нет шансы на управление оптическим откликом, — сказал Джаинг.

Мы продемонстрировали возможность управления этим хаотическим поведением.

Для решения этой задачи команда разработала большую полость в форме стадиона с открытой верхней частью и двумя каналами на противоположных сторонах, которые направляют свет в полость. Входящий свет рассеивается от стенок и отражается от них, а расположенная сверху камера фиксирует количество света, выходящего из стадиона, и его пространственную структуру.

По бокам устройства расположены регуляторы, позволяющие управлять интенсивностью света на двух входах и задержкой между ними. Противоположные каналы заставляют световые пучки интерферировать друг с другом в полости стадиона, что позволяет управлять рассеянием одного пучка другим с помощью процесса, известного как когерентное управление — по сути, использование света для управления светом. Регулируя относительную интенсивность и задержку световых пучков, входящих в два канала, исследователи, что примечательно, последовательно изменяли картину излучения света за пределами резонатора.

Такое управление стало возможным благодаря редкому поведению света в резонансных полостях, называемому «модами рассеяния без отражения» (RSMs), которое было теоретически предсказано ранее, но не наблюдалось в системах с оптическими полостями. По словам Инь, продемонстрированная в данной работе возможность манипулирования РСМ позволяет эффективно возбуждать и контролировать сложные оптические системы, что имеет значение для хранения энергии, вычислений и обработки сигналов.

Мы обнаружили, что на определенных частотах наша система может поддерживать две независимые, перекрывающиеся РСМ, благодаря чему весь свет попадает в полость стадиона без отражений обратно в порты нашего канала, что позволяет управлять им, — сказал Инь.

Наша демонстрация касается оптических сигналов в пределах полосы пропускания оптических волокон, которые мы используем в повседневной жизни, так что это открытие открывает новый путь для лучшего хранения, маршрутизации и управления световыми сигналами в сложных оптических платформах.

В дальнейших исследованиях ученые планируют использовать дополнительные регуляторы, что даст больше степеней свободы для раскрытия дальнейших сложностей в поведении света.

02.11.2023