Kun laserit alkavat elää omaa elämäänsä
Jotkut laserit eivät pidä valoa tasaisena. Ne sykkivät. Valo paisuu ja kutistuu, voimistuu ja heikkenee, kerta toisensa jälkeen. Se näyttää melkein siltä kuin valo hengittäisi.
Tutkijat kutsuvat näitä ilmiöitä hengittäviksi lasereiksi. Nimi on kuvaava. Mutta pitkään kukaan ei tiennyt, miksi valo käyttäytyy näin. Vielä oudompaa oli se, että hengitystä näytti olevan kahdenlaista. Toisella oli omat säännöt, toisella toiset. Yhtä selitystä ei ollut.
Mitä lasereissa oikeastaan tapahtuu
Nämä laserit tuottavat valopulsseja, jotka kestävät vain biljoonasosasekunteja. Niitä käytetään silmäleikkauksissa, lääketieteellisessä kuvantamisessa ja tarkassa koneistuksessa. Valo kiertää laserin sisällä ontelossa. Kun olosuhteet ovat sopivat, valo muodostaa solitoniksi kutsutun aaltopaketin. Se säilyttää muotonsa, kun se kulkee eteenpäin.
Tavallisesti solitonit toimivat vakaasti. Joskus ne eivät kuitenkaan rauhoitu. Ne paisuvat ja kutistuvat joka kerta, kun ne kiertävät onteloa. Tämä toistuva liike on se, joka näyttää hengitykseltä.
Kaksi erilaista rytmiä
Kun laserin teho on korkea, hengitys on nopeaa. Muutos tapahtuu jo muutaman kierroksen aikana. Kun teho sen sijaan jää alle tietyn rajan, hengitys hidastuu. Muutos voi vaatia satoja tai tuhansia kierroksia. Nämä kaksi tapausta näyttivät aiemmin vaativan täysin eri matematiikkaa.
Yksi malli kahdelle ilmiölle
Nyt kansainvälinen tutkijaryhmä on osoittanut, että molemmat rytmit voi selittää samalla matemaattisella mallilla. Avain oli kahden eri aikaskaalan huomioiminen. Valo kiertää ontelossa hyvin nopeasti, mutta laserin energiansyöttö muuttuu hitaammin. Kun malli sisältää molemmat, molemmat hengitykset selittyvät.
Tohtori Sonia Boscolo Astonin yliopistosta kertoo, että matalaenerginen hengitys syntyy energian pulssituksesta ja solitonien luonnollisesta muodonmuutoksesta. Korkeaenerginen hengitys taas johtuu valon epälineaarisesta käyttäytymisestä. Molemmat ilmiöt ovat siis vain eri puolia samasta fysiikasta.
Miksi tämä on tärkeää
Laserien vakaus on ratkaisevaa monissa sovelluksissa. Jos ymmärtää, miksi ne hengittävät, voi ohjata niiden toimintaa. Vanha tapa vaati erikseen testejä ja simulaatioita. Nyt riittää yksi malli, joka kattaa kaikki tilanteet. Tämä nopeuttaa laserien kehitystä ja parantaa niiden luotettavuutta.
Entä tulevaisuus
Tämä malli tulee todennäköisesti yleistymään laserinsinöörien työkaluksi. Se mahdollistaa paremman ennustamisen, eikä pelkkä kokeilu ole enää ainoa tapa. Uudet sovellukset laserien käytössä ovat jo nyt laajemassa. Kun perusfysiikka ymmärretään paremmin, innovaatiot voivat edetä nopeammin.
Se muistuttaa, että suuria edistysaskeleita ei aina synny uusista löydöksistä. Joskus riittää, kun näkee, että kaksi asiaa olivat alusta asti osa samaa kokonaisuutta.