激光技术将光限制在含有增益介质的谐振器内,增益介质是一种具有量子属性的材料,可以放大光。由于激光谐振器通常远大于光的波长,其腔内的激光可能会以多种模式出现,这就是我们所知的模式。过去的物理研究已经发现,可能的激光图案(即,模式或模式的组合)彼此竞争能量,然后激光器选择能量损失最小的图案。这个“选择过程”可以简单地与达尔文进化论中描述的自然选择相提并论。

在自然选择理论中,物种中适应环境最好的成员往往会存活下来,并产生更多的后代。类似地,充分利用能量资源的激光模式(即模式)最终会主宰其他模式。激光发明后不久,物理学家们开始意识到,模式之间的这种“竞争”可以通过一种方式来控制,使这项技术产生非常短的脉冲,这种现象现在被称为锁模。这种同步现象涉及激光的许多模式一起振荡,形成几飞秒(10^-15ss)的脉冲。

当激光器设计者在激光器的腔体中引入一种元件,强制更有效地利用能量的激光图案,转变为最大化激光电场峰值强度的图案时,就会发生锁模。该图案原来是其中多个模式与同步相位同时激光的图案。

自从它被发现以来,锁模已经在许多设备中得到了应用,包括高场光学和频率梳。到目前为止,这种同步现象几乎总是被描述为光在一个单一维度上的自组织,也就是时间的自组织。尽管如此,它也可以潜在地理解为一种三维现象,在时间和空间上都表现出来。

康奈尔大学研究人员与一组外部合作者合作,引入了一种理论方法,可以帮助更好地理解3-D时空模式锁定,其研究理论发表在《自然物理》期刊上,研究建立在他们之前研究中收集的一系列观察结果基础上。

开展这项研究的研究人员之一洛根·G·赖特博士说:2017年,我发现模式锁定远比人们之前认识到的要普遍得多。发现,即使在具有许多复杂模式的‘坏’激光腔中,锁模也可能发生,而不是只有在非常受限的激光器设计中才可能发生。

这种一般的锁模过程被称为时空锁模,赖特博士对时空模式锁定的观察,让物理学界的许多研究人员感到惊讶,因为它表明之前关于这一现象的大多数理论都过于简单化了。其研究实质上揭示了激光物理学可能比大多数物理学家预期的要“有创意”得多。

在这项新研究中,想了解激光在寻找复杂的优化问题解决方案方面的适应性,以及是否有更普遍的方法来理解激光是如何解决这个问题的。换句话说,它仍然只是最大限度地利用能源,还是还有更多的事情在发生?

研究提出了一种名为“吸引子解析器”的新理论方法,这有助于更好地理解之前研究的时空锁模现象是如何导致在激光模式中进行“达尔文式”选择的。在通过收集详细测量来验证他们的理论后,研究人员表明,时空锁模实现的相当复杂光图案,通常可以与模式的选择压力及其有效利用能源的需求相协调。

简而言之,研究对激光器进行了严格的数学描述,并将其视为激光器试图解决的优化问题,一般情况下,这种数学描述复杂得离谱,但在极端情况下,但研究人员能够将优化问题归结为单个变量的优化。

至少在这些情况下,可以证明激光器似乎在努力实现能源效率的最大化。本研究提出的理论,为在时空锁模中观察到的每一种不同类型3-D脉冲提供了一个模型,这反过来可以帮助识别导致它们形成和稳定的腔内效应。

总体而言,研究收集的发现与之前对模式锁定的理解一致,但这种现象可能比最初认为的更具创造性和复杂性。研究人员还表明,以前关于模式锁定的直觉并不总是成立,特别是当一个问题非常复杂的时候。

多模激光可能是一个实验者,可以在非常复杂的环境中研究自组织和达尔文式竞争的地方(远远超出了传统计算机可以模拟的范围),但这仍然是可以控制的(例如,与自然界中的大多数动物不同)。因此,它们可能是物理学家了解自然复杂系统如何自组织的好地方。

使用该理论方法,研究人员能够识别出几种不同类型的3-D时空模式锁定,所有这些类型在单一维度上都没有类似的东西。因此,其研究结果可能有助于发现更复杂形式的相干光,这可能对研究和技术开发都有重要意义。

激光在推动测量和实验前沿方面发挥了极其重要的作用:在物理学和化学领域,大多数诺贝尔奖都依赖于一种测量或实验技术,这种技术是由特定激光能力促成的。因此,虽然我们还不能太具体,但对新激光能力最终可能为科学(和工业)应用带来的好处感到兴奋。

通过解释激光技术如何在复杂的区域中工作,该新方法和观察结果可能为开发具有不同能力和特征的新型激光器铺平道路。其理论还可以改善目前对复杂物理如何等同于自然优化的理解,有可能为新的优化和人工智能算法设计提供指导。

在物理和信息学实验室的NTT研究中心,研究人员现在正在努力了解自然物理系统是如何进行计算的,以及我们如何利用这些计算。在这个目标范围内,多模激光器解决复杂优化问题的能力,使其成为主要的实验系统,研究正在积极致力于设计相关的光学机器,利用这种能力进行模拟并解决复杂的组合问题。目前关注的一个重要步骤是:试图理解量子效应对自然计算可能起到的作用。

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参考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-020-0784-1

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深度剖析:三维时空锁模机制的理论和方法!有量子特征,能放大光

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激光技术将光限制在含有增益介质的谐振器内,增益介质是一种具有量子属性的材料,可以放大光。