Физики научились контролировать и создавать кристаллы света

Ученые-физики уже давно разработали специальные оптические резонаторы, способные преобразовывать лазерный свет в ультракороткие импульсы, движущиеся по окружности этих резонаторов. Более того, эти импульсы, получившие название "рассеянные солитоны Керра" (dissipative Kerr solitons), могут "размножаться" внутри резонатора, форма которого определяет форму и другие параметры импульсов света.

Когда солитоны покидают пределы резонатора, они формируют серию импульсов, повторяющихся через стабильные интервалы времени, и, чем меньше диаметр резонатора, тем короче интервал времени следования импульсов, который может заходить в диапазон сотен гигагерц. Данная технология может быть использована в будущем для увеличения эффективности и качества работы оптических линий связи или стать основой новых сверхскоростных оптических сканеров LiDAR, обеспечивающих субмикронную точность.

К сожалению, при попытках дальнейшего уменьшения диаметра кольцевого резонатора ученые столкнулись с общеизвестным явлением увеличения потерь света, преодолевающего крутые изгибы на его пути. Эта проблема очень хорошо известна в оптоволоконной оптике, а в данном случае она определяет то, что размеры микрорезонаторов не могут быть менее нескольких десятков микронов, что, в свою очередь, ограничивает максимальную частоту повторения импульсов света.

Не так давно группа физиков из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) нашла способ обхода описанного выше ограничения, полностью "отвязав" частоту следования импульсов от размеров микрорезонатора. В созданном ими резонаторе возникает максимально возможное количество солитонов Керра и соблюдается точный интервал между ними. Такой способ управления светом можно считать оптическим аналогом атомарных цепей в кристаллических твердых телах, и, таким образом, такой резонатор получил название "идеального солитонного кристалла" (perfect soliton crystals, PSC).

Одним из замечательных свойств таких солитонных кристаллов является то, что наряду с увеличением количества оптических импульсов, эти кристаллы также повышают их мощность, т.е. количество заключенной в них энергии.

"Разработанная нами технология позволяет получать серии оптических импульсов с очень высокой частотой следования, которая может достигать нескольких терагерц, при этом, в ней используются достаточно обычные оптические кольцевые микрорезонаторы" - пишут исследователи, - "Все это может быть использовано в спектроскопических технологиях, в технологиях измерения расстояния и в качестве источника излучения терагерцового диапазона, имеющего очень малый уровень собственных шумов".

Тем временем, понимание динамики и возможность управления поведением солитонов Керра внутри идеальных солитонных кристаллов открывают целую новую область фундаментальной физики, изучающей поведение множеств солитонов внутри нелинейных оптических систем.