Membuka jalan untuk perangkat bertenaga cahaya baru
Engineering

Membuka jalan untuk perangkat bertenaga cahaya baru


Mikrolaser cincin dipandang sebagai sumber cahaya potensial untuk aplikasi fotonik, tetapi pertama-tama harus dibuat lebih bertenaga. Menggabungkan beberapa mikrolaser ke dalam sebuah array hanya menyelesaikan setengah dari masalah, karena ini menambahkan “mode” yang berisik ke sinar laser yang dihasilkan. Sekarang, berkat matematika di balik teori supersimetri, Penn Engineers telah mencapai penguat mode tunggal dari larik semacam itu. Dengan menghitung properti yang diperlukan untuk “superpartners” yang ditempatkan di sekitar array utama, mereka dapat membatalkan mode tambahan yang tidak diinginkan.

Bidang fotonik melibatkan studi tentang cara-cara baru untuk menghasilkan dan memanfaatkan cahaya, mirip dengan berapa banyak perangkat yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari yang dijalankan dengan arus listrik. Sementara perangkat fotonik memiliki potensi untuk mengubah paradigma teknologi saat ini melalui peningkatan kecepatan, efisiensi, dan kepadatan informasi, aplikasinya yang luas dibatasi oleh ukuran, kekuatan, dan stabilitas sumber cahaya, seringkali laser, di perangkat ini.

Bidang fotonik bertujuan untuk mengubah semua jenis perangkat elektronik dengan menyimpan dan mentransmisikan informasi dalam bentuk cahaya, bukan listrik. Di luar kecepatan mentah cahaya, cara informasi dapat dilapisi dalam berbagai sifat fisiknya membuat perangkat seperti komputer fotonik dan sistem komunikasi prospek menggiurkan.

Namun, sebelum perangkat semacam itu dapat berubah dari teori menjadi kenyataan, para insinyur harus menemukan cara untuk membuat sumber cahaya mereka — laser — lebih kecil, lebih kuat, dan lebih stabil. Robot dan kendaraan otonom yang menggunakan LiDAR untuk penginderaan optik dan jangkauan, teknik pembuatan dan pemrosesan material yang menggunakan laser, dan banyak aplikasi lainnya juga terus mendorong bidang fotonik untuk daya yang lebih tinggi dan sumber laser yang lebih efisien.

Sekarang, tim peneliti dari Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Pennsylvania telah menarik konsep-konsep di tepi teori fisika untuk merancang dan membangun susunan dua dimensi dari mikrolaser yang memiliki stabilitas satu mikrolaser tetapi dapat secara kolektif. mencapai urutan kepadatan daya yang lebih tinggi.

Mereka sekarang telah menerbitkan sebuah penelitian yang mendemonstrasikan susunan mikrolaser supersimetris mereka di jurnal Ilmu.

Penelitian ini dipimpin oleh Liang Feng, profesor di Departemen Ilmu dan Teknik Material dan Teknik Listrik dan Sistem, bersama dengan Xingdu Qiao, Bikashkali Midya dan Zihe Gao, anggota labnya. Mereka berkolaborasi dengan sesama anggota lab Feng Zhifeng Zhang, Haoqi Zhao, Tianwei Wu dan Jieun Yim serta Ritesh Agarwal, profesor di Departemen Ilmu dan Teknik Material. Natalia M. Litchinitser, profesor Teknik Elektro dan Komputer di Duke University, juga berkontribusi dalam penelitian ini.

Untuk menjaga informasi yang dimanipulasi oleh perangkat fotonik, lasernya harus sangat stabil dan koheren. Yang disebut laser “mode tunggal” menghilangkan variasi noise dalam pancarannya dan meningkatkan koherensinya, tetapi akibatnya, laser lebih redup dan kurang bertenaga dibandingkan laser yang berisi beberapa mode simultan.

“Salah satu metode yang tampaknya mudah untuk mencapai laser mode tunggal berkekuatan tinggi,” kata Feng, “adalah menggabungkan beberapa laser mode tunggal yang identik bersama-sama untuk membentuk susunan laser. Secara intuitif, susunan laser ini akan memiliki daya pancaran yang ditingkatkan, tetapi karena sifat kompleksitas yang terkait dengan sistem gabungan, sistem ini juga akan memiliki beberapa ‘supermode “. Sayangnya, persaingan antar mode membuat susunan laser menjadi kurang koheren. “

Membuka jalan untuk perangkat bertenaga cahaya baru

Feng dan rekan-rekannya menggunakan rangkaian mikrolaser berbentuk cincin dalam eksperimen mereka. Dengan menggunakan teori matematika supersimetri, mereka mengembangkan larik laser “mitra super” yang meningkatkan stabilitas larik utama, yang ditandai dengan warna merah. Kredit: Universitas Pennsylvania

Menggabungkan dua laser menghasilkan dua supermode, tetapi angka itu meningkat secara kuadrat karena laser disusun dalam kisi dua dimensi yang mengamati penginderaan fotonik dan aplikasi LiDAR.

“Operasi mode tunggal sangat penting,” kata Qiao, “karena pancaran dan kecerahan larik laser meningkat dengan jumlah laser hanya jika semuanya terkunci fase ke dalam satu supermode tunggal.”

“Terinspirasi oleh konsep supersimetri dari fisika,” katanya, “kita dapat mencapai penguat mode tunggal fase terkunci ini dalam larik laser dengan menambahkan ‘superpartner’ disipatif.”

Dalam fisika partikel, supersimetri adalah teori bahwa semua partikel elementer dari dua kelas utama, boson dan fermion, memiliki “superpartner” yang belum ditemukan di kelas lain. Alat matematika yang memprediksi properti dari setiap partikel superpartner hipotetis juga dapat diterapkan pada properti laser.

Dibandingkan dengan partikel elementer, membuat superpartner mikrolaser tunggal relatif sederhana. Kompleksitas terletak pada mengadaptasi transformasi matematis supersimetri untuk menghasilkan seluruh larik superpartner yang memiliki tingkat energi yang tepat untuk membatalkan semua kecuali mode tunggal yang diinginkan dari aslinya.

Sebelum Feng dan rekan-rekannya bekerja, larik laser mitra super hanya bisa berbentuk satu dimensi, dengan masing-masing elemen laser disejajarkan dalam satu baris. Dengan memecahkan hubungan matematis yang mengatur arah di mana elemen individu berpasangan satu sama lain, studi baru mereka mendemonstrasikan sebuah array dengan lima baris dan lima kolom mikrolaser.

“Ketika array mitra supersimetris lossy dan array laser asli digabungkan bersama,” kata Gao, “semua supermode kecuali untuk mode fundamental hilang, menghasilkan penguat mode tunggal dengan 25 kali daya dan lebih dari 100 kali kepadatan daya larik asli. Kami membayangkan penskalaan daya yang jauh lebih dramatis dengan menerapkan skema umum kami untuk larik yang jauh lebih besar bahkan dalam tiga dimensi. Teknik di belakangnya sama. “

Studi para peneliti juga menunjukkan bahwa teknik mereka kompatibel dengan penelitian sebelumnya tentang laser pusaran, yang secara tepat dapat mengontrol momentum sudut orbital, atau bagaimana sinar laser berputar di sekitar sumbu perjalanannya. Kemampuan untuk memanipulasi sifat cahaya ini dapat mengaktifkan sistem fotonik yang dikodekan pada kepadatan yang lebih tinggi dari yang dibayangkan sebelumnya.

“Single-mode, high-power lasing digunakan dalam berbagai aplikasi penting, termasuk komunikasi optik, penginderaan optik, dan rentang LIDAR,” kata James Joseph, manajer program, Kantor Riset Angkatan Darat, salah satu elemen dari Pengembangan Kemampuan Tempur Angkatan Darat AS. Laboratorium Penelitian Angkatan Darat Komando, yang mendukung penelitian ini. “Hasil penelitian dari Penn menandai langkah yang signifikan menuju penciptaan sumber laser yang lebih efisien dan dapat digunakan.”


Penelitian membuka jalan untuk laser yang lebih baik, komunikasi


Informasi lebih lanjut:
Xingdu Qiao dkk. Array mikrolaser supersimetris berdimensi lebih tinggi, Ilmu (2021). DOI: 10.1126 / science.abg3904

Disediakan oleh University of Pennsylvania

Kutipan: Membuka jalan untuk perangkat bertenaga cahaya baru (2021, 28 April) diambil 28 April 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-04-paving-light-powered-devices.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten tersebut disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Togel HKG