Femtosekundový laser přímý zápis Blochových oscilací v optických Floquetových mřížkách

Dne 28. dubna 2024 zveřejnil tým profesora Shu Xuewena na Huazhong University of Science and Technology (HUST) ve spolupráci s týmem prof. Sun Xiankai na Čínské univerzitě v Hong Kongu (CUHK) nejnovější pokrok ve výzkumu Vizuální pozorování fotoniku Floquet - Blochovy oscilace.
Blochovy oscilace jsou klasickým koherentním kvantovým transportním fenoménem projevujícím se jako periodické oscilace kvantových částic v periodickém potenciálním poli působením aplikované konstantní síly. Jako základní fyzikální jev byly Blochovy oscilace objeveny a zkoumány v různých systémech, jako jsou polovodičové supermřížky, ultrachladné atomy, spřažená pole vlnovodů a syntetické rozměrové fotonické mřížky atd. Související výsledky výzkumu nejen podporují vývoj základních fyzikální výzkum, ale také poskytují nové nápady a metody pro flexibilní manipulaci s vývojem vlnové funkce. Studie Blochova oscilačního fenoménu se však soustředily především na statické systémy a Blochův oscilační fenomén v periodicky řízených (Floquetových) systémech je třeba dále do hloubky prozkoumat.

Obr. 1. (a) Schéma pole vlnovodu s přímým zápisem femtosekundového laseru. (b) Fotografie průřezu experimentálně připraveného vzorku. (c) Fotografie experimentálně připraveného vzorku v pohledu shora.
K vyřešení tohoto problému tato studie zkoumá fenomén Blochovy oscilace v systému Froché pomocí jednorozměrného ohýbaného vlnovodu připraveného přímým zápisem femtosekundovým laserem, navrhuje obecnou teorii Blochova oscilačního jevu v optické Frochéově mřížce a experimentálně vizualizuje a pozoruje optický jev Froché-Blochovy oscilace. Jak je znázorněno na obr. 1, trajektorie ohybu vlnovodu v poli je složená trajektorie sestávající z kruhového ohybu superponovaného na periodické ohýbání. Při aproximaci večerní osy je fluktuační rovnice popisující vývoj přenosu světla v tomto vlnovodném poli matematicky ekvivalentní Schrödingerově rovnici popisující časově závislý vývoj elektronů v periodickém potenciálovém poli působením aplikovaného elektrického pole a směr přenosu světla v poli vlnovodu je ekvivalentní časovému členu v Schrödingerově rovnici. Zakřivení trajektorie ohybu vlnovodu je považováno za ekvivalentní sílu elektrického pole působící na procházející světelnou vlnu, kde kruhová trajektorie ohybu generuje ekvivalentní konstantní sílu elektrického pole vedoucí k Blochovým oscilacím a periodická trajektorie ohybu generuje ekvivalentní periodické elektrické pole. síla zavádějící Frohnkeho modulaci. Pole vlnovodu tedy umožňuje pozorování jevu Blochovy oscilace v optické Floquetové mřížce.

Obrázek 2. (a)-(d) Experimentální pozorování při buzení jedním vlnovodem. (e)-(h) Experimentální pozorování při buzení širokým paprskem.
V této studii byl vývoj kontinuálního přenosu světelných vln ve vlnovodných polích vizualizován a pozorován pomocí vlnovodové fluorescenční mikroskopie. Obr. 2 ukazuje režim dýchání a oscilace Blochova oscilačního jevu v optické Froquetově mřížce pro dopad jediného vlnovodu a dopad širokého paprsku. Když se perioda Floquetovy modulace nerovná jakémukoli celočíselnému násobku periody Blochovy oscilace, Floquetova disperze je konstantní a rovna nule a optické Floquet-Blochovy oscilace s periodou, která je nejmenším společným násobkem periody Floquetovy modulace a Blochovy oscilace. dochází k periodě oscilace. Ve zbývajících případech již není Floquetova disperze rovna 0 a prostup světla je obvykle charakterizován difuzní difrakcí. Kromě toho výzkumníci teoreticky a experimentálně zkoumali vliv parametrů Flokay modulace na optické Flokay-Blochovy oscilace a odhalili jedinečnou evoluční povahu jevu, včetně fraktálních spektrálních vlastností spojených s obdobím Flokayovy modulace a frakčním Flokayem. vlastnosti tunelování spojené s amplitudou modulace Flokay.

Obr. 3. (a) Fraktální spektrální vlastnosti optických Froquet-Blochových oscilací. (b) Zlomkové vlastnosti Floquet-Blochova tunelování optických Floquet-Blochových oscilací.
Vizuální pozorování optických Floquet-Blochových oscilací odhaluje nový mechanismus evoluce vlnové funkce, který má velký význam jak v základním výzkumu, tak v praktických aplikacích. Pokud jde o základní výzkum, teoretický model a experimentální platforma podporují další zkoumání nových jevů vyplývajících ze souhry návrhu a modulace Frohike-Blochových oscilací s binárními mřížkami, neermovskými mřížkami a optickými nelinearitami; a pokud jde o praktické aplikace, optické Frohike-Blochovy oscilace jsou v podstatě koherentním transportním jevem, a proto mohou být V praktických aplikacích jsou optické Floquet-Blochovy oscilace v podstatě koherentním transportním jevem, a proto mohou být rozšířeny na různé výzkumy. platformy, jako jsou syntetické mřížky frekvenční domény, studené atomy, krystaly časoprostoru a kvantové procházky, a očekává se, že budou použity pro realizaci frekvenční konverze, přesných měření a manipulaci s různými přenosy vln.