Иллюстрация: 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.

Выходная мощность отдельных поляризационных компонент в круговом и линейном базисе для различных входных мощностей и отстроек. N. Moroney et al. / Nature Communications, 2022

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.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!