Группа физиков из Инсбрукского и Гарвардского университетов предложила принципиально новый способ генерации лазерного излучения — лазер без зеркал. Их исследование, опубликованное в Physical Review Letters, показывает, что квантовые излучатели, расположенные на субволновых расстояниях друг от друга, могут конструктивно синхронизировать излучение фотонов, создавая яркий, очень узкополосный световой луч даже в отсутствие оптического резонатора.
В обычных лазерах зеркала необходимы для того, чтобы свет отражался от них и возвращался обратно, стимулируя когерентное излучение возбужденных атомов или молекул и тем самым усиливая свет. Но в новой концепции «без зеркал» атомы взаимодействуют напрямую через собственные электромагнитные дипольные поля, поскольку межатомное расстояние меньше длины волны излучаемого света. Когда система получает достаточно энергии, эти взаимодействия приводят к тому, что излучатели синхронизируются и начинают светить коллективно. Это явление называется сверхизлучением или сверхизлучающей эмиссией (superradiance или superradiant emission).
Команда под руководством Гельмута Ритча обнаружила, что при таком коллективном излучении генерируется высоконаправленный и спектрально чистый свет с одной узкой спектральной линией в тех случаях, когда лазерным излучением возбуждается лишь часть излучателей, а остальные атомы остаются ненакачанными. Поскольку эта пассивная часть излучателей не расширяется под воздействием управляющего лазера или усиления мощности, она действует как оптический резонатор для активных излучателей — по аналогии с обычным лазером, где оптический резонатор и усиливающая среда являются отдельными физическими объектами.
Атомы синхронизируют свое излучение и, преодолев определенный порог, начинают светиться коллективно — в унисон друг с другом. В будущих исследованиях предстоит изучить еще множество вопросов, но уже сейчас ясно, что атомы создают собственный механизм обратной связи и выбора частоты посредством диполь-дипольного взаимодействия в свободном пространстве.
Помимо концептуальной значимости, это открытие указывает на новый класс сверхкомпактных источников света для нанофотоники и высокоточных измерений. Поскольку частота излучения определяется в первую очередь самими атомами, такие системы могут служить исключительно стабильными оптическими эталонами для квантовых датчиков, часов или встроенных в чипы компонентов.
Исследование сочетает в себе теорию взаимодействия света и материи с передовыми численными методами, позволяющими изучить коллективное поведение больших атомных ансамблей и их способность испускать когерентное излучение. Результаты показывают, что при дальнейшем прогрессе в этой области беззеркальная генерация может вскоре перейти от теоретических прогнозов к экспериментальной реализации.
Недавно мы сообщили, что в России создали неодимовый лазер с нестандартной длиной волны.
