Optiskā mikrokavitāte

Vikipēdijas lapa
Jump to navigation Jump to search
Laikā atkarīga pulsējošās mikrokavitātes simulācija.

Optiskā mikrokavitāte jeb mikrorezonators ir īpaša atstarojoša struktūra , kas parasti sastāv no divām atsevišķām optiskajām skaldnēm, vai gaismas viļņa, kas ietīts cirkulārā veidolā, veidojot optisko gredzenu. Vārds mikrokavitāte, tiek izmantots, jo parasti attiecīgās sistēmas ir pāris mikrometrus biezas un attālums starp optiskajām skaldnēm var būt pat nanometru biezs. Izmantojot lāzerus un optisko kavitāti jeb optisko rezonatoru, ir iespējams iegūt stāvvilni, kas rodas starp optiskajām skaldnēm, vai ceļo apkārt optiskajam gredzenam.

Pielietojumi un darbības principi[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Lielākā atšķirība starp parastajām optiskajām kavitātēm un mikrokavitātēm ir efekti, kas rodas sistēmās , kuru izmēri ir daudz mazāki , kā parastajām optiskajām sistēmām, bet darības principu uztverei var pielietot tos pašus modeļus, ko izmanto lielu optisko rezonatoru modelēšanai, vai izpratnei. Ir iespējams novērot kvantu efektus kuros gaisma uzvedas kā elektromagnētiskais lauks [1]. Piemēram, atoma spontānas emisijas ātrums pats par sevi ir mikrokavitāte, jeb fenomens, kad atomā notiek spontānā emisija no aizliegtajiem stāvokļiem[2]. Šis fenomens savukārt var tikt izmantots situācijā kad neviens fotons netiek izstarots, gadījumā ja ir pārāk mazs tilpums, kurā noturēt fotonu, kas savukārt paver iespējas mainīt emisijas spektru, padarot to šaurāku.

Vēl jo vairāk, nelineāros optiskos efektus ir iespējams palielināt pat par vairākām kārtām, spēcīgas gaismas ieslodzījuma dēļ. Šis var novest pie mikrorezonatoru fekvenču ķemmes, kas ir zemas jaudas parametriskie procesi kā, piemēram, lejupejošā konversija, otrās kārtas harmoniskā ģenerācija, vairāku viļņu sajaukšanās un Optiskās parametriskās oscillācijas[3]. Daži no šiem nelineārajiem procesiem paši par sevi var ģenerēt atsevišķus kvantu stāvokļus gaismai. Vēl viena vieta, kur ir ļoti svarīgs spēcīgs gaismas iesprostojums sistēmā, ir kavitātes optomehānika, kur notiek gaismas stara mijiedarbība ar mehāniskām izmaiņām, kas piemīt pašam rezonatoram [4][5]. Pat šajā konkrētajā fizikas laukā, kvantu efekti spēlē nozīmīgu lomu[6]. Mikrokavitātēm ir daudzi un dažādi pielietojumi, piemēram, optoelektronikā, kur vispopulārākais ir vertikālās virsmas emitējošie lāzeri VCSEL. Nesen tika nodemonstrēts viena fotona emitējoša ierīce , kur bija iespējams izveidot ievietojot kvantu punktu mikrokavitātē. Šādi gaismas avoti ir ļoti aktuāli laukos kuros strādā ar kvantu kriptogrāfiju un kvantu datoriem. Pārskatu par šo var izlasīt Nature[7].

Tipi[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Stāvviļņi[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Mikrokavitāte, kas darbojas vienā režīmā, vai dažādos stāvviļņu režīmos, atstarpes biezums, starp optiskajām skaldnēm nosaka tā saukto 'kavitātes režīmu', jeb viļņa garumu, kas var tikt pārraidīts rezonatorā un veidot stāvvilni. Atkarībā no optisko skaldņu kvalitātes, veidosies atšķirīgs transmisijas spektrs no mikrokavitātes kā gara diapazona viļņa garuma, kas savukārt tiek atstarots un pārraidīts (parasti tieši centrā). Ir dažādi veidi kā var izveidot stāvviļņu mikrokavitātes. Viens ir izmantojot metodi, kuras laikā izgaro mainīgie slāņi dialektriķī, veidojot spoguļus (DBR) vai modificējot pusvadītājus.


Skrejvilnis[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Skrejviļņa mikrokavitāšu gadījumā pamatā ir vilnis, kas cilpveidīgi izplatās konkrētā virzienā, atkarībā no gaismas ievada virziena. Tie var būt dažādās formās, kā piemēram čukstošo galeriju režīmu rezonatori, vai kā integrēts gredzenveidīgs rezonators. Visbiežāk materiāli, no kuriem tiek taisīti rezonatori, ir pusvadītāji, kā piemēram silīcijs, silīcija dioksīds, silīcija nitrīds, MgF2, vai litija niobāts. Materiālus izvēlas tā, lai tiem būtu pēc iespējas mazāki zudumi, gaismai izplatoties rezonatorā.

Kad vesels skaitlis viļņa garumu tiek iespiests rezonatorā, rezonatorā sākas konstruktīvā interference. Gaismas lauks rezonatorā var tikt pastiprināts no pārsimts reizēm līdz pat vairākiem miljoniem reižu. Šo nosaka rezonatora smalkuma koeficents[8]. Šis savukārt noved pie īpaši augsta labuma faktora. Piemēram, ja gaisma tiek iespīdināta sfēriskā rezonatorā, tā var veikt vairākus miljonus apriņķojumu rezonatorā, pirms izgaist materiālu absorbcijas dēļ.[9][10].

Atsauces[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

  1. Fürst, J. U.; Strekalov, D. V.; Elser, D.; Aiello, A.; Andersen, U. L.; Marquardt, Ch.; Leuchs, G. (2011-03-15). "Quantum Light from a Whispering-Gallery-Mode Disk Resonator". Physical Review Letters 106 (11): 113901. arXiv:1008.0594. Bibcode 2011PhRvL.106k3901F. doi:10.1103/PhysRevLett.106.113901. PMID 21469862.
  2. Yablonovitch, Eli (1987-05-18). "Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics". Physical Review Letters 58 (20): 2059–2062. Bibcode 1987PhRvL..58.2059Y. doi:10.1103/PhysRevLett.58.2059. PMID 10034639.
  3. Fürst, J. U.; Strekalov, D. V.; Elser, D.; Aiello, A.; Andersen, U. L.; Marquardt, Ch.; Leuchs, G. (2010-12-27). "Low-Threshold Optical Parametric Oscillations in a Whispering Gallery Mode Resonator". Physical Review Letters 105 (26): 263904. arXiv:1010.5282. Bibcode 2010PhRvL.105z3904F. doi:10.1103/PhysRevLett.105.263904.
  4. Kippenberg, T. J.; Vahala, K. J. (2007-12-10). "Cavity Opto-Mechanics" (EN). Optics Express 15 (25): 17172–17205. arXiv:0712.1618. Bibcode 2007OExpr..1517172K. doi:10.1364/OE.15.017172. ISSN 1094-4087.
  5. Aspelmeyer, Markus; Kippenberg, Tobias J.; Marquardt, Florian (2014-12-30). "Cavity optomechanics". Reviews of Modern Physics 86 (4): 1391–1452. arXiv:1303.0733. Bibcode 2014RvMP...86.1391A. doi:10.1103/RevModPhys.86.1391.
  6. Aspelmeyer, Markus; Meystre, Pierre; Schwab, Keith (July 2012). "Quantum optomechanics" (en). Physics Today 65 (7): 29–35. Bibcode 2012PhT....65g..29A. doi:10.1063/PT.3.1640. ISSN 0031-9228.
  7. Vahala, Kerry J. (2003). "Optical microcavities". Nature 424 (6950): 839–846. Bibcode 2003Natur.424..839V. doi:10.1038/nature01939. ISSN 0028-0836. PMID 12917698.
  8. Savchenkov, Anatoliy A.; Matsko, Andrey B.; Ilchenko, Vladimir S.; Maleki, Lute (2007-05-28). "Optical resonators with ten million finesse" (EN). Optics Express 15 (11): 6768–6773. Bibcode 2007OExpr..15.6768S. doi:10.1364/OE.15.006768. ISSN 1094-4087.
  9. Ji, Xingchen; Barbosa, Felippe A. S.; Roberts, Samantha P.; Dutt, Avik; Cardenas, Jaime; Okawachi, Yoshitomo; Bryant, Alex; Gaeta, Alexander L. et al. (2017-06-20). "Ultra-low-loss on-chip resonators with sub-milliwatt parametric oscillation threshold" (EN). Optica 4 (6): 619–624. arXiv:1609.08699. doi:10.1364/OPTICA.4.000619. ISSN 2334-2536.
  10. Armani, D. K.; Kippenberg, T. J.; Spillane, S. M.; Vahala, K. J. (February 2003). "Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip" (En). Nature 421 (6926): 925–928. Bibcode 2003Natur.421..925A. doi:10.1038/nature01371. ISSN 0028-0836.