Femtosekundové laserové priame zapisovanie Blochových oscilácií do optických floketových mriežok

28. apríla 2024 tím profesora Shu Xuewena na Huazhong University of Science and Technology (HUST) v spolupráci s tímom profesora Sun Xiankai na Čínskej univerzite v Hong Kongu (CUHK) zverejnil najnovší pokrok vo výskume Vizuálne pozorovanie fotoniky Floquet-Blochove oscilácie.
Blochove oscilácie sú klasickým koherentným kvantovým transportným javom prejavujúcim sa ako periodické oscilácie kvantových častíc v periodickom potenciálnom poli pri pôsobení aplikovanej konštantnej sily. Ako základný fyzikálny efekt boli Blochove oscilácie objavené a skúmané v rôznych systémoch, ako sú polovodičové supermriežky, ultrachladné atómy, združené vlnovodové polia a syntetické rozmerové fotonické mriežky atď. Výsledky súvisiaceho výskumu nielen podporujú vývoj základných fyzikálneho výskumu, ale tiež poskytujú nové nápady a metódy na flexibilnú manipuláciu s vývojom vlnovej funkcie. Štúdie o Blochovom oscilačnom fenoméne sa však zamerali hlavne na statické systémy a Blochov oscilačný jav v periodicky riadených (Floquetových) systémoch je potrebné hlbšie preskúmať.

Obr. 1. (a) Schéma poľa vlnovodov s priamym zápisom femtosekundového lasera. (b) Fotografia prierezu experimentálne pripravenej vzorky. (c) Pohľad zhora na fotografiu experimentálne pripravenej vzorky.
Na vyriešenie tohto problému táto štúdia skúma fenomén Blochovej oscilácie v systéme Froché pomocou jednorozmerného ohnutého vlnovodu pripraveného priamym zápisom femtosekundovým laserom, navrhuje všeobecnú teóriu fenoménu Blochovej oscilácie v optickej Frochého mriežke a experimentálne vizualizuje a pozoruje optický fenomén Froché-Blochovej oscilácie. Ako je znázornené na obr. 1, trajektória ohybu vlnovodu v poli je zložená trajektória pozostávajúca z kruhového ohybu superponovaného na periodické ohýbanie. V rámci aproximácie večernej osi je fluktuačná rovnica popisujúca vývoj prenosu svetla v tomto vlnovodnom poli matematicky ekvivalentná Schrödingerovej rovnici popisujúcej časovo závislý vývoj elektrónov v periodickom potenciálovom poli pri pôsobení aplikovaného elektrického poľa a smer prenosu svetla v poli vlnovodu je ekvivalentný časovému členu v Schrödingerovej rovnici. Zakrivenie trajektórie ohybu vlnovodu sa považuje za ekvivalentnú silu elektrického poľa pôsobiacu na prenášanú svetelnú vlnu, pričom kruhová trajektória ohybu generuje ekvivalentnú konštantnú silu elektrického poľa vedúcu k Blochovým osciláciám a periodická trajektória ohybu generuje ekvivalentné periodické elektrické pole. sila zavádzajúca Frohnkeho moduláciu. Vlnovodové pole teda umožňuje pozorovanie Blochovho oscilačného javu v optickej Floquetovej mriežke.

Obrázok 2. (a)-(d) Experimentálne pozorovania pri budení jediným vlnovodom. (e)-(h) Experimentálne pozorovania pri budení širokým lúčom.
V tejto štúdii bol vývoj kontinuálneho prenosu svetelných vĺn vo vlnovodných poliach vizualizovaný a pozorovaný pomocou vlnovodovej fluorescenčnej mikroskopie. Obr. 2 ukazuje režimy dýchania a oscilácie Blochovho oscilačného javu v optickej Froquetovej mriežke pre dopad jediného vlnovodu a dopad širokého lúča. Keď sa perióda Floquetovej modulácie nerovná žiadnemu celočíselnému násobku periódy Blochovej oscilácie, Floquetova disperzia je konštantná a rovná sa nule a optické Floquet-Blochove oscilácie s periódou, ktorá je najmenším spoločným násobkom periódy Floquetovej modulácie a Blochovej periódy nastane perióda oscilácie. Vo zvyšných prípadoch sa Floquetova disperzia už nerovná 0 a prenos svetla je zvyčajne charakterizovaný difúznou difrakciou. Okrem toho výskumníci teoreticky a experimentálne skúmali vplyv parametrov modulácie Flokay na optické oscilácie Flokay-Bloch, čím odhalili jedinečnú evolučnú povahu javu, vrátane fraktálnych spektrálnych vlastností spojených s obdobím modulácie Flokay a čiastkovým Flokayom. tunelovacie vlastnosti spojené s amplitúdou modulácie Flokay.

Obr. 3. (a) Fraktálne spektrálne vlastnosti optických Froquet-Blochových oscilácií. (b) Zlomkové vlastnosti Floquet-Blochovho tunelovania optických Floquet-Blochových oscilácií.
Vizuálne pozorovanie optických Floquet-Blochových oscilácií odhaľuje nový mechanizmus vývoja vlnovej funkcie, ktorý má veľký význam v základnom výskume aj v praktických aplikáciách. Pokiaľ ide o základný výskum, teoretický model a experimentálna platforma podporujú ďalšie skúmanie nových javov vznikajúcich zo súhry návrhu a modulácie Frohike-Blochových oscilácií s binárnymi mriežkami, neermovskými mriežkami a optickými nelinearitami; a pokiaľ ide o praktické aplikácie, optické Frohike-Blochove oscilácie sú v podstate koherentným transportným javom, a preto môžu byť V praktických aplikáciách sú optické Floquet-Blochove oscilácie v podstate koherentným transportným javom, a preto môžu byť rozšírené na rôzne výskumy. platformy, ako sú syntetické frekvenčné mriežky, studené atómy, časopriestorové kryštály a kvantové pochody, a očakáva sa, že budú použité na realizáciu frekvenčnej konverzie, presných meraní a manipulácie s rôznymi prenosmi vĺn.