Physical Review X недавно сообщил о новом оптическом резонаторе от Техниона - Израильского технологического института, который является беспрецедентным в плане усиления резонанса. Созданный Технионом резонатор, разработанный аспирантом Джейкобом Хер-Алденом под руководством профессора Тала Кармона, обладает рекордными возможностями усиления резонанса.
Резонатор - это устройство, которое улавливает волны и усиливает или отражает их, отражая их от стены к стене в процессе, называемом резонансным усилением. Сегодня во всем мире существуют сложные и изощренные резонаторы различных видов, а также знакомые всем нам простые резонаторы. Примеры этого включают резонатор гитары, который усиливает звук, производимый струнами, или корпус флейты, который усиливает звук, создаваемый мундштуком инструмента.
Гитара и флейта представляют собой акустические резонаторы, в которых звук реверберирует между стенками резонатора. В физике также есть оптические резонаторы, например, в лазерных устройствах. Фактически резонатор является одним из самых важных устройств в оптике: «Это оптический транзистор», - сказал профессор Кармон.
Вообще говоря, резонаторам нужно как минимум два зеркала, чтобы умножить отраженный свет (прямо как в парикмахерской). Но они также могут содержать более двух зеркал. Например, можно использовать три зеркала для отражения света треугольной формы, четыре - квадратной и так далее. Также можно расположить множество зеркал почти круглой формы, чтобы свет циркулировал. Чем больше зеркал в кольце, тем ближе структура становится к идеальному кругу.
Но это не конец истории, так как кольцо ограничивает движение света одной плоскостью. Решение представляет собой сферическую структуру, которая позволяет свету вращаться во всех плоскостях, проходящих через центр круга, независимо от их наклона. Другими словами, в трехмерном пространстве.
При движении от физики к технике возникает вопрос, как изготовить резонатор максимально приближенный к сфере, чистый, гладкий и дающий максимальное число оборотов для оптимального резонанса. Это задача, которая привлекла внимание многих исследовательских групп и позволила, среди прочего, создать крошечный стеклянный резонатор в форме сферы или кольца, который удерживается рядом с узким оптическим волокном. Пример этого был представлен профессором Кармоном два года назад в журнале Nature.
Здесь еще есть место для улучшения, так как даже стержень, который держит сферу, создает искажение ее сферической формы. Отсюда и родилось желание создать плавающий резонатор - резонатор, не удерживаемый никаким материальным объектом.
Первый в мире микрорезонатор был продемонстрирован в 1970-х годах Артуром Ашкиным, лауреатом Нобелевской премии по физике 2018 года, который представил плавающий резонатор. Несмотря на достижение, исследовательское направление вскоре было заброшено. Теперь, вдохновленный новаторской работой Ашкина, новый плавающий резонатор демонстрирует усиление резонанса на 10 000 000 циклов света по сравнению с примерно 300 циклами в резонаторе Ашкина.
Парящий резонатор
В резонаторе, сделанном из зеркала, отражающего 99,9999% света, свет будет вращаться около миллиона оборотов или «туда и обратно». По словам профессора Кармона, «если мы возьмем свет мощностью один ватт, подобный свету вспышки в сотовом телефоне, и позволим ему вращаться между этими зеркалами, мощность света будет увеличена. примерно до миллиона ватт - мощность равна потреблению электроэнергии в большом районе Хайфы, Израиль Мы можем использовать высокую светоотдачу, например, для стимуляции различных взаимодействий света и материи в области между зеркалами."
На самом деле, миллион ватт состоит из одной и той же частицы света, которая движется вперед и назад через материю, но материя не «знает», что это одна и та же частица света, которая многократно движется через материю. материи, поскольку фотоны неразличимы. Оно только «чувствует» великую силу. В устройстве такого типа также важно, чтобы миллион ватт проходил через небольшую площадь поперечного сечения. Действительно, устройство, разработанное Хер-Алденом, проводит свет за 10 миллионов круговых проходов, при этом свет фокусируется на площади луча, в 10 000 раз меньшей, чем площадь поперечного сечения волоса. При этом Хер-Алден установил мировой рекорд по резонансному усилению света.
Резонатор, разработанный исследователями Техниона, сделан из крошечной капли высокопрозрачного масла диаметром около 20 микрон - четверть толщины пряди волоса. Используя технику, называемую «оптическими щипцами», капля удерживается в воздухе с помощью света. Этот метод используется для удержания капли в воздухе без материальной поддержки, что может привести к повреждению ее сферической формы или загрязнению капли. По словам профессора Кармона, «это гениальное оптическое изобретение, оптические щипцы, широко используется в науках о жизни, химии, микропоточных устройствах и т. д., и именно оптические исследователи почти не используют его - немного как сапожник. ходьба босиком. В настоящем исследовании мы показываем, что оптические щипцы имеют огромный потенциал в области оптической инженерии. Можно, например, построить оптическую схему, используя несколько оптических щипцов, которые удерживают множество резонаторов и контролируют положение резонаторов. и их форма по мере необходимости."
Малые размеры капли также улучшают сферическую целостность, потому что гравитация почти не искажает ее, поскольку в этих размерах она является маргинальной по отношению к силам поверхностного натяжения на границе раздела жидкости, которые придают ей сферическую форму. В уникальной системе, разработанной исследователями Техниона, капля масла удерживается лазерным лучом и получает свет от другого волокна, которое также получает свет после прохождения через резонатор.
Основываясь на свойствах света, возвращающегося в волокно, исследователи могут узнать, что произошло внутри капли. Например, они могут отключить свет, попадающий в резонатор, и проверить, как долго фотон будет жить в резонаторе, прежде чем он исчезнет. Основываясь на этих данных и скорости света, они могут рассчитать количество оборотов, которое фотон совершает (в среднем) в капле. Результаты показывают мировой рекорд по усилению света: 10 000 000 вращений, которые проходят через площадь поперечного сечения около микрона в квадрате, увеличивают свет в 10 миллионов раз.