Спонтанное нарушение поляризационной симметрии обнаружили для непрерывных лазеров

N. Moroney et al. / Nature Communications, 2022

Европейские физики обнаружили спонтанное нарушение поляризационной симметрии света, испускаемого непрерывным лазером, в резонаторе Фабри — Перо. В их опыте линейно поляризованный свет, начиная с некоторого порога мощности, несимметрично расщеплялся на компоненты с круговой поляризацией. Эффект может быть полезен для полностью оптического управления поляризацией, а также для создания чувствительных поляризационных детекторов. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Спонтанное нарушение симметрии — это случайный процесс, при котором симметрия системы уменьшается в угоду наименьшей энергии. Эта концепция играет большую роль в самых разных разделах физики, начиная от квантовой теории поля, где такое нарушение обеспечивает работу хиггсовского механизма, и заканчивая холодными газами.

В принципе, симметрия может нарушаться относительно любой физической величины. Так, например, физики предсказали и обнаружили спонтанное нарушение симметрии относительно поляризации света в кольцевых резонаторах. Оно возникает в тот момент, когда интенсивность лазерного импульса становится достаточно большой, чтобы вызвать керровскую нелинейность. Этот эффект, однако, еще ни разу не наблюдался в резонаторах другого типа, а также с помощью непрерывных лазеров.

Найл Морони (Niall Moroney) из Института физики света Общества Макса Планка с коллегами из Великобритании, Германии и Швейцарии экспериментально обнаружили спонтанное нарушение симметрии относительно поляризации света, испускаемого непрерывным лазером, в резонаторе Фабри — Пьеро. Эффект возникает из-за конкуренции между модами с различной круговой поляризацией, в результате чего одна из них оказывается доминирующей. Такое нарушение можно использовать в поляризационных детекторах и полностью оптических схемах.

Сначала физики записали и решили динамическое уравнение, описывающее поведение компоненты электрического поля произвольной круговой поляризации в резонаторе с керровской нелинейностью. Эффект Керра известен тем, что электрическое поле способно вызывать в среде двойное лучепреломление, которое наделяет свет разной групповой скоростью в зависимости от ориентации его поляризации.

В случае, когда интенсивность света достаточно велика, он сам создает модулирующее электрическое поле по мере своего распространения. Тогда, как показали расчеты, каждая компонента с одной круговой поляризацией приобретает отстройку, определяемую амплитудой поля противоположной поляризации. Иными словами, чем сильнее одна компонента, тем слабее другая, и наоборот. В идеально сбалансированной системе давление компонент уравновешено, однако оно не стабильно. Любое малое возмущение этого баланса приводит к усилению одной компоненты и подавлению другой.

Чтобы обнаружить этот эффект, физики изготовили резонатор Фабри — Перо из одномодового кремнеземного волокна длиной два метра, закрытого с обоих концов высокоотражающими брэгговскими зеркалами (более 99 процентов на длине волны 1550 нанометров). Они заводили туда усиленный свет непрерывного диодного лазера разной интенсивности и отстройки от резонанса. Входной луч обладал вертикальной линейной поляризацией, а авторы следили за поляризационным составом выходящего света.

При мощности источника ниже пороговых семи милливатт в выходном излучении не было горизонтальной компоненты, а круговые компоненты были одинаковы. Однако при больших мощностях эта ситуация поменялась: чем больше была интенсивность, тем больше был дисбаланс компонент с различной круговой поляризацией. При этом параметр Стокса, которые отвечает за меру эллиптичности света, линейно зависел от мощности выше порога.

Авторы отмечают, что теория спонтанного нарушения поляризационной симметрии предписывает случайный исход того, какая из компонент будет доминировать. В опыте же усиливалась всегда одна и та же компонента, поскольку в волокне всегда присутствует остаточное двулучепреломление, равно как и всегда есть небольшой поляризационный дисбаланс во входном излучении. Этот факт позволит использовать обнаруженный эффект в чувствительных поляризационных детекторах. Кроме того, предложенное управление параметром Стокса может быть использовано при создании полностью оптических поляризационных контроллеров, которые будут быстрее своих тепловых или механических аналогов.

Поляризационная симметрия — это не единственная симметрия, которая может нарушаться в оптике. Мы уже рассказывали о нарушении симметрии по отношению к инверсии времени при рассеянии света наночастицей и при прохождении его через оптический диод.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.