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破记录的浮动激光谐振器

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《 Physical Review X》最近报道了以色列理工学院Technion公司的新型光学谐振器,该谐振器在谐振增强方面是空前的。由研究生Jacob Kher-Alden在Tal Carmon教授的指导下开发的,出生于Technion的谐振器在增强谐振方面具有突破性的能力。

谐振器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复杂的谐振器,以及我们所有人都熟悉的简单谐振器。这样的例子包括吉他的共鸣箱,其增强由琴弦产生的声音,或长笛的主体,其增强在乐器的吹口中产生的声音。

吉他和长笛是声学谐振器,其中声音在谐振器的壁之间回荡。在物理学中,还存在光学谐振器,例如在激光设备中。实际上,谐振器是光学中最重要的器件之一:“它是光学的晶体管,”卡蒙教授说。

一般而言,谐振器至少需要两个反射镜才能使反射光倍增(就像在美发沙龙一样)。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成几乎圆形的形状,以使光循环。环中的镜面越多,结构就越接近完美的圆。

但这还不是故事的结局,因为环将光的移动限制在一个平面内。该解决方案是一种球形结构,该结构允许光在通过圆心的所有平面上旋转,而不管其倾斜度如何。换句话说,在三维空间中。

在从物理学到工程学的运动中,出现了一个问题,即如何使谐振器尽可能接近清洁,光滑的球体,并给出最大旋转数以获得最佳谐振。这是一个挑战,已经吸引了许多研究小组的参与,并产生了一个球形或环形的微小玻璃谐振器,该谐振器紧靠一条窄光纤。这方面的一个例子是卡蒙教授两年前在《自然》杂志上提出的。

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形形状中产生变形。因此,就产生了产生浮动谐振器的希望,这种谐振器没有任何实物支撑。

1970年代,2018年诺贝尔物理学奖获得者亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin)演示了世界上第一个微型谐振器,他提出了一个浮动谐振器。尽管取得了成就,但是研究方向很快被放弃了。现在,受阿什金的开创性工作启发,新型浮动谐振器通过10,000,000次光循环显示出共振增强,而阿什金的谐振器中只有约300次循环。

悬浮共振器

在由反射率高达99.9999%的镜制成的谐振器中,光将旋转大约一百万转或“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,相当于以色列海法一个大社区的用电量。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单个光粒子组成的,但是由于光子是光子,所以该物质并不“知道”同一物质在物质中反复移动。难以区分。它只会“感觉”到强大的力量。在这种类型的设备中,百万瓦特穿过较小的横截面面积也很重要。确实,由Kher-Alden开发的设备可以进行1000万次往返飞行,其中的光线会聚在比头发横截面面积小10,000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。

Technion研究人员开发的谐振器是由一小滴直径约20微米的高透明油制成的,该油是一束头发的厚度的四分之一。使用一种称为“光学镊子”的技术,水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,在生命科学中得到了广泛的应用,化学,微流设备等等,正是光学研究人员很少使用它-就像补鞋匠赤脚走路一样。在本研究中,我们表明光学镊子在光学工程领域具有巨大的潜力。例如,有可能使用多个光学镊子构建一个光学电路,该光学镊子可容纳多个谐振器并根据需要控制谐振器的位置及其形状。”

液滴的微小尺寸还改善了球形完整性,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,在重力上这些液滴的边缘很小。在Technion研究人员开发的独特系统中,油滴被激光束保持着,并从另一根光纤接收光,另一根光纤在通过谐振器后也接收回光。

根据返回到光纤的光的性质,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器的光,并检查光子在衰落之前将在谐振器中存活多长时间。基于这些数据和光速,他们可以计算光子在液滴中平均旋转的次数。结果显示了光放大方面的世界纪录:10,000,000次旋转穿过大约微米平方的横截面,使光增加了1000万次。

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