Amikor a lézerek úgy viselkednek, mintha élők lennének
A világ legfejlettebb lézerei nem mindig egyenletes fénysugárral működnek. Néhány közülük szabálytalanul lüktet – erősödik, majd gyengül, újra és újra. Mintha a fény lélegezne.
A kutatók „lélegző” lézereknek nevezik ezeket. Sokáig azonban senki sem tudta megmagyarázni, miért alakul ki ez a ritmus. Ráadásul két teljesen eltérő mintát figyeltek meg, és úgy tűnt, mintha mindkettőnek külön magyarázatra lenne szüksége.
Most viszont sikerült közös képletet találni.
Mi zajlik valójában az ultrafast lézerekben?
Ezek a lézerek hihetetlenül rövid fényimpulzusokat bocsátanak ki. A villanások időtartama ezredmilliárdod másodperc nagyságrendű. A sebészetben, az orvosi képalkotásban és a nagy pontosságú gyártásban használják őket.
A fény egy zárt térben, úgynevezett üregben ugrál körbe-körbe. Ha minden feltétel adott, a fény egy szoliton nevű, stabil hullámcsomaggá szerveződik. Ez a csomag megőrzi az alakját, miközben halad.
De néha ez a szoliton nem marad nyugton. Ehelyett periodikusan tágul és húzódik össze – mintha lélegezne. És ezt a ritmust minden egyes kör megtétele után megismétli.
Két különböző ritmus, egy közös magyarázat
A kutatók korábban két külön jelenséget láttak.
Ha a lézer teljesítményét egy bizonyos küszöb fölé emelik, a szoliton gyorsan lélegzik. Néhány kör alatt már teljes ciklust végez. Ez a mozgás rendezett és gyors.
Ha viszont a teljesítmény a küszöb alá kerül, a lélegzés lelassul. Száz vagy akár több ezer kör is kellhet egy teljes ciklushoz. Ez a lassú változat teljesen más szabályokat követett – legalábbis eddig.
A probléma az volt, hogy két különböző fizikai magyarázatot kellett volna használni. Most azonban egy nemzetközi kutatócsoport, köztük Sonia Boscolo az Aston Egyetemről, bebizonyította, hogy mindkét típus egyetlen matematikai kerettel leírható.
Mi a közös a gyors és a lassú lélegzésben?
A kulcs a két különböző időskála egyidejű figyelembevétele. Az egyik oldalon ott van a fény gyors mozgása az üregben. A másik oldalán pedig a lézer energiaellátásának lassabb változása.
Ha mindkettőt együtt modellezik, kiderül, hogy a kétféle lélegzés ugyanabból a fizikai alapból ered.
A lassú típusnál a Q-kapcsolás és a szoliton természetes átalakulása együttesen okozza a ritmust. A gyors típusnál pedig a Kerr-effektus és a fény nemlineáris kölcsönhatásai dominálnak.
Mindkét esetben ugyanazok az alapmechanizmusok működik, csak a hangsúlyok különben.