Neue photonische Bauelemente kombinieren optischen Verlust und Gewinn
Photonische Medien mit Gewinn und Verlust an optischer Strahlung bieten bemerkenswertes Potential für die Steuerung elektromagnetischer Strahlung bei Mikro- und Nanolasern. Wissenschaftler riefen daher das EU-finanzierte Projekt NOLACOME(öffnet in neuem Fenster) (Nonlinear optics and lasing in complex media) ins Leben, um die wichtigen zugehörigen Themenfelder detailliert theoretisch zu erforschen. Angeregt durch das Potential optischer Systeme mit kombiniertem Verlust und Gewinn wurde intensiv an der Streuung in PT-symmetrischen Hohlräumen (PT: Raum-Zeit) geforscht, die sich mit nichthermitischen Hamilton-Operatoren beschreiben lassen. Die Streueigenschaften solcher Hohlräume sind von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der PT-Laser und ihrer Beziehung zu deren zeitumgekehrten Gegenstücken (Anti-Lasern). Das Team untersuchte die Punkte, an denen Symmetriebrüche sowohl in geschlossenen als auch offenen Hohlräumen stattfinden. Insgesamt sind nichthermitische optische Hohlräume seit längerem von Interesse für die Forschung, und zwar wegen einer Reihe außergewöhnlicher Phänomene wie unidirektionaler Unsichtbarkeit. Dies ist ein bemerkenswertes Beispiel für Illusionsoptik: die Lichtreflexion ist gleich Null, wenn sie an einem Ende bestimmter Punkte (Symmetriebruch) gemessen wird, und ungleich Null, wenn sie am anderen Ende der Struktur gemessen wird. Materialien, die Verlust und Gewinn kombinieren, können als unidirektionale unsichtbare Medien fungieren. Die Forscher lieferten neue Erkenntnisse zu den besonderen Eigenschaften solcher Leistungsverstärker, denen damit eine Schlüsselrolle bei der Verringerung von Verlusten in aktiven plasmonischen Strukturen zukommt. Die verlustlose unidirektionale Lichtausbreitung (ohne Reflexionen) bei Plasmonenwellenleitern könnte zur Entwicklung einer neuen Generation sehr kompakter integrierter nanophotonischer Geräte beitragen. Die Forscher untersuchten erstmals Wellen mit konstanter Intensität und deren Instabilitäten in Gegenwart von (Zufalls-)Lasern mit Gewinn und Verlust und zeigten, dass bei der Propagierung keine Reflexionen stattfinden. Diese unidirektionalen Wellen sind eine Ableitung von ebenen Wellen im freien Raum auf nichthermitische Medien. Ein weiterer Schwerpunkt war die Analyse nichtlinearer Effekte in offenen photonischen Systemen mit Gewinn und Verlust. Das Team beschrieb die Zeitdynamik des gekoppelten nichtlinearen PT-symmetrischen Phononen-Lasers, indem es nichtlineare Verstärkungsgleichungen löste. Durch Analysen der Oszillatorzustände liefert das Team neue Einblicke in die Wirkung der nichtlinearen Sättigung beim Symmetriebruch. Die Ergebnisse belegen die Existenz eines neuen Phasenübergangs von einem hohen thermischen Rauschzustand zu einer niedrigeren Amplitudenverstärkung. Die Ergebnisse von NOLACOME bieten damit neue Entwicklungsmöglichkeiten für synthetische optische Geräte und Strukturen mit erweiterter Funktionalität.
