Zbudowali świetlnego potwora. Laser bije wszelkie rekordy
Laser z Osaki nie świeci po prostu mocniej. On porządkuje tysiące wirów światła naraz i robi to na poziomie, który wcześniej był poza naszym zasięgiem.
Zespół z Uniwersytetu Osakijskiego pokazał coś, co w świecie fotoniki naprawdę robi wrażenie: wielką, uporządkowaną matrycę 3070 wirów optycznych, czyli specjalnie ukształtowanych skręconych wiązek światła, działającą przy mocy szczytowej 58 MW. Najważniejsze nie jest tu samo słowo rekord, tylko to, że do tej pory naukowcy musieli zwykle wybierać jedno z dwóch: albo dużo wirów naraz, ale przy małej mocy, albo dużą moc, lecz tylko dla pojedynczych wirów. W nowej pracy opublikowanej w Light: Science & Applications udało się po raz pierwszy połączyć oba te światy w jednym eksperymencie.
Czym w ogóle są wiry optyczne?
Wiry optyczne to wiązki światła, których front fali nie jest płaski, lecz skręcony jak śruba albo korkociąg. Taki promień niesie orbitalny moment pędu, czyli szczególny rodzaj skrętu zapisany w samej strukturze światła. W centrum takiej wiązki znajduje się osobliwy punkt, w którym faza staje się nieokreślona, a intensywność spada do zera. To właśnie dlatego takie wiązki wyglądają często jak świetlne obwarzanki z ciemnym środkiem.
Od lat wiry optyczne bada się pod kątem superrozdzielczej mikroskopii, manipulacji cząstkami, wytwarzania mikrostruktur i szeregu zastosowań fotonicznych. Problem polegał jednak na tym, że kiedy chciano tworzyć duże uporządkowane tablice takich wirów, wcześniejsze metody szybko dobijały do granic mocy, stabilności albo skali.
Japoński zespół zademonstrował trójkątną sieć 3070 spójnych fazowo wirów optycznych przy mocy szczytowej 58 MW. Autorzy piszą wprost, że oznacza to poprawę o ponad 3 rzędy wielkości zarówno pod względem liczby wirów, jak i mocy szczytowej względem wcześniejszych podejść opartych na modulatorach przestrzennych, metapowierzchniach i klasycznych elementach.
Wcześniejsze rozwiązania miały zwykle bardzo wyraźne ograniczenia. Modulatory przestrzenne potrafiły dawać konfigurowalne wzory, ale z reguły kończyło się na dziesiątkach wirów przy mocach subwatowych. Metapowierzchnie były kompaktowe, ale pracowały przy mocach rzędu dziesiątek miliwatów. Tymczasem tutaj udało się zrobić coś znacznie większego, mocniejszego i nadal uporządkowanego.
Co oznacza te 58 MW i dlaczego nie chodzi o laser potężniejszy niż elektrownia?
Tu warto od razu dodać ważne wyjaśnienie, bo wartość 58 MW łatwo brzmi bardziej sensacyjnie, niż tak naprawdę powinna. To nie jest moc ciągła, tylko moc szczytowa impulsu. W fizyce laserów to ogromna różnica. Wiązka może mieć bardzo dużą moc przez bardzo krótki czas, a całkowita energia pojedynczego impulsu pozostaje znacznie mniejsza. W samej pracy autorzy podają też przykłady eksperymentów materiałowych, w których energia impulsu wynosiła 28,8 mJ, a moc szczytowa 5,76 MW.
To wciąż jest bardzo dużo z punktu widzenia kontroli światła i oddziaływania z materią, ale nie należy tego czytać jak parametru ciągłego zasilania. Sens rekordu polega nie na tym, że zbudowano jakiś kosmiczny promień zagłady, tylko że udało się utrzymać bardzo dużą liczbę wirów i bardzo wysoką moc szczytową w jednym, stabilnym układzie optycznym.
Badacze nie osiągnęli tego wyniku przez dokładanie coraz bardziej skomplikowanych aktywnych elementów sterujących. Zamiast tego przeprojektowali samą logikę tworzenia wirów optycznych. Klasycznie tryby Laguerre’a-Gaussa, czyli standardowy matematyczny opis takich skręconych wiązek, przedstawia się jako sumę dwóch trybów Hermite’a-Gaussa przesuniętych w fazie o π/2. Zespół z Osaki zaproponował rozkład na 3 tryby Hermite’a-Gaussa obrócone o 60 stopni. Autorzy podkreślają, że to pierwsza tak istotna rewizja tego schematu od 30 lat.
Dzięki temu opisowi dało się połączyć teorię konwersji trybów z geometrią interferencji wielu wiązek i zbudować układ optyczny, który daje skalowalną, uporządkowaną tablicę wirów. Sam zespół wskazuje, że kluczowy był kompaktowy system DOE–SPP–4f: dyfrakcyjny element optyczny tworzył 6 spójnych wiązek, spiralna płytka fazowa narzucała odpowiednie przesunięcia fazy, a układ Fouriera składał wszystko w trójkątną sieć wirów.
Po co w ogóle komu tysiące wirów światła?
Największa przewaga nowej architektury polega na tym, że nie opiera się na elementach, które same z siebie ograniczają moc wejściową. Autorzy zaznaczają, że ponieważ ich metoda bazuje na spójnej interferencji, a nie na przestrzennych modulatorach światła czy metapowierzchniach o bardziej ograniczonej odporności, pozostaje z natury skalowalna pod względem liczby wirów, długości fali i mocy lasera wejściowego.
No ok, ale co to w ogóle daje? Przeanalizujmy to nieco bardziej obrazowo. Jeśli masz nie jeden, ale tysiące precyzyjnie kontrolowanych wirów optycznych, możesz myśleć o naprawdę masowo równoległym przetwarzaniu światłem. Autorzy wymieniają kilka kierunków: równoległą obróbkę laserową, fotonikę chiralną, biopotonikę o dużej równoległości oraz badania nieliniowych oddziaływań światła z materią.
Przeczytaj także:
Chiralność, czyli właściwość cząsteczek chemicznych, które nie nakładają się na swoje lustrzane odbicia, to w tym kontekście zdolność do rozróżniania i wytwarzania struktur o określonym skręcie, trochę jak prawa i lewa dłoń. To ważne w chemii, fotonice i wytwarzaniu mikro- oraz nanostruktur. Oznacza to, że taki układ może przydać się tam, gdzie trzeba jednocześnie tworzyć albo badać wiele drobnych, skręconych struktur w materiale, zamiast robić to punkt po punkcie.
