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破记录的浮动激光谐振腔

发布时间: 2020-10-10 10:27:57   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

 

“Physical Review X”最近报道了以色列理工学院的一种新型光学谐振腔,该谐振腔在谐振增强方面是空前的。在Tal Carmon教授的指导下,由研究生Jacob Kher-Alden开发,这个技术诞生的谐振腔在共振增强方面具有破纪录的能力。

谐振腔是一种捕获波并通过将其从一个壁反射到另一个壁来增强或回波的设备,该过程称为共振增强。如今,世界各地有各种各样复杂而精密的谐振腔,以及广泛使用的简单谐振腔。

图6. 实验装置图

事实上,谐振腔是光学中最重要的器件之一:“它是光学的晶体管,”Carmon教授说。

一般而言,谐振腔至少需要两个反射镜才能使反射光倍增。但是它们也可以容纳两个以上的镜子。例如,可以使用三个反射镜以三角形反射光,以正方形反射四个,依此类推。也可以将许多反射镜布置在一个几乎圆形的形状,以便光循环。在从物理学到工程学的运动中,问题出现了,如何产生一个共振器,尽可能接近一个干净、光滑的球体,并为最佳共振提供最大的旋转次数。这是一个挑战,已经吸引了许多研究小组参与其中,并取得了成果,其中包括一个球形或环形的微小玻璃谐振腔,它被固定在一条狭窄的光纤旁边。两年前,Carmon教授在《自然》杂志上已经提出。

在这里,仍有改进的空间,因为即使固定球体的茎杆也会在其球体形状中产生变形。因此,就产生了没有任何实物支撑的浮动谐振腔的想法。

世界上第一个微谐振腔是由2018年诺贝尔物理学奖得主Arthur Ashkin在上世纪70年代演示的,他展示了一个浮动谐振腔。尽管取得了成果,但研究方向很快就被放弃了。现在,受Arthur Ashkin开创性工作的启发,新的浮动谐振腔显示了1000万次光循环的共振增强,相比之下,Ashkin的谐振腔只有300次光循环。

悬浮共振腔

在由反射率高达99.9999%的镜面组成的谐振腔中,光会旋转大约一百万圈,即“往返”。根据Carmon教授的说法,“如果我们使用一瓦功率的光,类似于手机上的闪光灯的光,并且允许它在这些镜子之间来回旋转,那么光功率将被放大。功率约为一百万瓦。例如,我们可以利用高光输出来激发镜子之间区域的各种光物质相互作用。”

实际上,一百万瓦是由在物质中来回传播的同一光粒子构成的,但物质并不“知道”在物质中反复移动的是同一光粒子,因为光子是难以区分的。它只会“感觉”到强大的力量。在这种类型的装置中,百万瓦特穿过较小的横截面面积也是很重要的。事实上,由Kher-Alden开发的装置可以进行1000万次循环,其中的光线会聚在比头发横截面面积小1万倍的光束区域上。通过这种方式,Kher-Alden在光的共振增强方面取得了世界纪录。

以色列理工学院研究人员开发的谐振器是由一小滴直径约20微米的高透明液滴制成的。使用一种称为“光学镊子”的技术,液滴可以利用光保持在空中。此技术用于在没有材料支撑的情况下将液滴固定在空气中,这可能会损坏其球形形状或弄脏液滴。Carmon教授说:“这项新颖的光学发明,即光学镊子,在生命科学、化学、微流设备中得到了广泛的应用。本研究表明光镊在光学工程领域具有巨大的潜力。”

液滴的微小尺寸还提高了球形完整性,因为重力几乎不会使液滴变形,因为相对于液体界面上赋予球形的表面张力,液滴在这些尺寸上是微不足道的,而张力使液滴呈球形。在研究人员开发的独特系统中,液滴被激光束托住,接受来自另一根光纤的光,另一根光纤在通过谐振腔后也接收回光。

基于返回光纤的光的特性,研究人员可以知道液滴内部发生了什么。例如,他们可以关闭进入谐振腔的光,并检查光子在衰减之前在谐振腔中存活多久。基于这些数据和光速,他们可以计算出光子在液滴中平均旋转的次数。实验结果显示了光放大的世界纪录:通过约1微米平方的横截面,光放大了1000万圈,增加了1000万倍。

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