Når laserne får liv
Noen av verdens mest avanserte lasere gjør noe helt uvanlig. De sender ikke ut jevne lysstråler. I stedet pulserer de. De vokser og krymper i styrke, om og om igjen. Det ser ut som lyset puster.
Fysikere kaller dem pustende lasere. Navnet passer. Men i årevis klarte ingen å forklare hvorfor de gjør dette. Dessuten så det ut som det fantes to helt ulike pustemønstre. Hver av dem trengte sin egen forklaring.
Nå har forskere funnet ut at begge kan beskrives med én enkel modell.
Fysikken bak de raske laserne
Ultraraske lasere lager lysblink som varer i billiontedeler av et sekund. De brukes til øyeoperasjoner, medisinsk bildebehandling og presisjonsarbeid i industrien.
Inne i laseren spretter lyset frem og tilbake i et lukket kammer. Når forholdene er riktige, danner lyset det som kalles en soliton. Dette er en bølgepuls som beholder formen sin, selv etter mange runder gjennom systemet.
Noen ganger oppfører solitonene seg rolig. Andre ganger begynner de å svinge. De utvider seg og trekker seg sammen, gang etter gang. Hver runde gjennom kammeret gjentar bevegelsen.
To mønstre, én forklaring
Forskere la merke til to forskjellige pusterytmer. Når effekten i laseren ligger over en viss grense, puster solitonene raskt. Bare noen få runder gjennom kammeret, og syklusen er ferdig.
Når effekten ligger under denne grensen, endres mønsteret. Pustingen blir svært langsom. Det kan ta hundrevis eller tusenvis av runder før man ser én full syklus.
I årevis trodde forskerne at disse to mønstrene krevde helt ulike matematiske modeller. Nå viser det seg at de ikke gjør det.
En felles modell
Et internasjonalt forskerteam, med Sonia Boscolo fra Aston University i spissen, har utviklet en ny modell. Den fanger opp både raske og langsomme prosesser i samme rammeverk.
Lysets bevegelser inne i kammeret skjer på mikrosekundnivå. Energiforsyningen endrer seg derimot saktere. Når man tar hensyn til begge tidsskalaene samtidig, blir begge pustemønstrene forståelige.
Modellen viser at:
- Pustingen under effektsgrensen skyldes Q-switching, altså pulserende energilevering, kombinert med solitonenes naturlige endringer
- Pustingen over effektsgrensen styres av Kerr-effekten, lysets ikke-lineære samspill med materialet
Begge typer kommer fra samme underliggende fysikk.
Hvorfor dette betyr noe
Ultraraske lasere er allerede viktige i medisin og industri. Men hvis man forstår årsaken til pustingen, kan man kontrollere den. Det fører til mer stabile og pålitelige systemer.
Tidligere trengte ingeniører flere ulike modeller for å teste og simulere laserne. Nå har de én. Det sparer tid og gjør det lettere å utvikle nye typer lasere.
Fremtiden
Teknologien rundt ultraraske lasere utvikler seg raskt. De brukes i stadig flere områder,包量子 teknologi. Med en ny, enkel modell kan forskere forutsi atferd bedre og utvikle nye enheter raskere.
Dette er et godt eksempel på hvordan vitenskap ofte handler om å se sammenhenger. Det som virket som to forskjellige ting, viste seg å være del av samme bilde.