Femtosekundes lāzera tieša bloķa svārstību ierakstīšana optiskajos floquet režģos

2024. gada 28. aprīlī prof. Šu Sjuvena komanda Huazhong Zinātnes un tehnoloģijas universitātē (HUST) sadarbībā ar profesora Suņa Sjaņkai komandu Honkongas Ķīnas Universitātē (CUHK) publicēja jaunāko pētījumu progresu Fotonikas vizuālā novērošana. Floquet -Bloch svārstības.
Bloku svārstības ir klasiska koherenta kvantu transporta parādība, kas izpaužas kā periodiskas kvantu daļiņu svārstības periodiskā potenciāla laukā pielietota nemainīga spēka iedarbībā. Bloha svārstības kā fundamentāls fizikāls efekts ir atklātas un pētītas dažādās sistēmās, piemēram, pusvadītāju superrežģos, ultraaukstos atomos, savienotajos viļņvadu blokos un sintētiskās dimensiju fotoniskās režģos utt. Saistītie pētījumu rezultāti ne tikai veicina fundamentālu izpēti. fizikas pētījumiem, bet arī sniedz jaunas idejas un metodes elastīgai manipulācijai ar viļņu funkcijas attīstību. Tomēr pētījumi par Bloch svārstību fenomenu galvenokārt ir vērsti uz statiskām sistēmām, un Bloch svārstību parādība periodiski vadītajās (Floquet) sistēmās ir jāturpina izpētīt padziļināti.

1. att. (a) Femtosekundes lāzera tiešās rakstīšanas viļņvada bloka shēma. b) eksperimentāli sagatavotā parauga šķērsgriezuma fotogrāfija. (c) Eksperimentāli sagatavota parauga augšskata fotoattēls.
Lai risinātu šo problēmu, šajā pētījumā tiek pētīta Bloha svārstību parādība Froché sistēmā, izmantojot viendimensiju saliektu viļņvada bloku, kas sagatavots ar femtosekundes lāzera tiešo rakstīšanu, ierosināta vispārēja Bloha svārstību fenomena teorija optiskajā Frošē režģī un eksperimentāli vizualizēta un novēro optisko Frošē-Bloha svārstību fenomenu. Kā parādīts 1. attēlā, viļņvada lieces trajektorija masīvā ir salikta trajektorija, kas sastāv no apļveida lieces, kas uzlikta periodiskai liecei. Saskaņā ar vakara ass aproksimāciju svārstību vienādojums, kas apraksta gaismas transporta attīstību šajā viļņvada masīvā, ir matemātiski līdzvērtīgs Šrēdingera vienādojumam, kas apraksta no laika atkarīgo elektronu evolūciju periodiskā potenciāla laukā pielietota elektriskā lauka iedarbībā, un gaismas transportēšanas virziens viļņvada masīvā ir līdzvērtīgs laika terminam Šrēdingera vienādojumā. Viļņvada lieces trajektorijas izliekums tiek uzskatīts par līdzvērtīgu elektriskā lauka spēku, kas iedarbojas uz pārraidīto gaismas vilni, kur apļveida lieces trajektorija ģenerē līdzvērtīgu nemainīgu elektriskā lauka spēku, kas izraisa Bloha svārstības, un periodiskā lieces trajektorija ģenerē līdzvērtīgu periodisko elektrisko lauku. spēks, kas ievieš Frohnke modulāciju. Tādējādi viļņvada masīvs ļauj novērot Bloha svārstību fenomenu optiskajā Floquet režģī.

2. attēls. (a)–d) Eksperimentālie novērojumi ar viena viļņvada ierosmi. (e)-(h) Eksperimentālie novērojumi pie plaša stara ierosmes.
Šajā pētījumā tika vizualizēta un novērota nepārtrauktas gaismas viļņu pārraides attīstība viļņvada blokos, izmantojot viļņvada fluorescences mikroskopiju. 2. attēlā parādīti Bloha svārstību fenomena elpošanas un svārstību režīmi optiskajā Froquet režģī attiecīgi viena viļņvada biežumam un plata staru kūļa biežumam. Ja Floquet modulācijas periods ir nevienāds ar jebkuru Bloka svārstību perioda veselu skaitļu daudzkārtni, Floquet dispersija ir nemainīga un vienāda ar nulli, un optiskās Floquet-Bloch svārstības ar periodu, kas ir mazākais Floquet modulācijas perioda un Bloha daudzkārtnis. notiek svārstību periods. Pārējos gadījumos Floquet dispersija vairs nav vienāda ar 0, un gaismas caurlaidību parasti raksturo difūzā difrakcija. Turklāt pētnieki teorētiski un eksperimentāli pētīja Flokay modulācijas parametru ietekmi uz optiskajām Flokay-Bloch svārstībām, atklājot fenomena unikālo evolucionāro raksturu, tostarp ar Flokay modulācijas periodu saistītās fraktāļu spektrālās īpašības un daļējās kārtas Flokay. tunelēšanas īpašības, kas saistītas ar Flokay modulācijas amplitūdu.

3. att. (a) Optisko Froketa-Bloha svārstību fraktāļu spektrālās īpašības. (b) Optisko Floquet-Bloch svārstību daļveida secības Floquet-Bloch tunelēšanas īpašības.
Optisko Floquet-Bloch svārstību vizuālā novērošana atklāj jaunu viļņu funkciju evolūcijas mehānismu, kam ir liela nozīme gan fundamentālajos pētījumos, gan praktiskajā pielietojumā. Runājot par fundamentālo pētījumu, teorētiskais modelis un eksperimentālā platforma atbalsta jaunu parādību turpmāku izpēti, kas rodas no Frohike-Bloch svārstību projektēšanas un modulācijas mijiedarbības ar bināriem režģiem, neermiešu režģiem un optiskām nelinearitātēm; un praktisko pielietojumu ziņā optiskās Frohike-Bloch svārstības būtībā ir koherenta transporta parādība, un tādējādi tās var būt. Praktiski pielietojumos optiskās Floquet-Bloch svārstības būtībā ir koherenta transporta parādība, un tādējādi tās var attiecināt uz dažādiem pētījumiem. platformas, piemēram, sintētiskās frekvenču domēna režģi, aukstie atomi, telpas-laika kristāli un kvantu pastaigas, un ir paredzēts, ka tās izmantos frekvences pārveidošanai, precizitātes mērījumiem un manipulācijām ar dažādu viļņu pārraidi.