13 December 2022, 23:00

Физики получили необычные световые импульсы прямоугольной и треугольной формы

Российские ученые предложили способ получать световые импульсы необычной формы — прямоугольные, треугольные, трапециевидные. Их применение позволит в сотни раз ускорить обработку и передачу данных в разнообразных оптических устройствах, в том числе квантовых.

Физики получили необычные световые импульсы прямоугольной и треугольной формы
Эскиз рассматриваемой системы: пара ультракоротких импульсов попадает в протяженный слой нелинейной среды с неоднородными характеристиками

Электромагнитные волны в зависимости от их длины можно разделить на три основных диапазона: инфракрасный, ультрафиолетовый, а также видимый спектр. Генерируемые в этих диапазонах короткие импульсы излучения объединяет одна особенность: все они имеют несущую частоту, принадлежащую к упомянутым диапазонам спектра. На несущей частоте напряженность электрического поля периодически и много раз меняет свое направление в соответствии с гармоническим законом.

Физики из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) предложили, как создать такие световые импульсы, в которых бы не было несущей частоты, и оставить в них только одно колебание, в котором напряженность электрического поля не меняла бы направление. В основе способа лежит использование нелинейной среды с неоднородными характеристиками, которая возбуждается, а затем это возбуждение деактивируется вторым импульсом.

«Мы предложили новый способ получения униполярных импульсов с необычной формой, например прямоугольной или треугольной. Ранее подобная задача считалась нерешаемой или как минимум крайне трудной. Однако, если источники импульсов заданной формы будут созданы, это поможет разработать оптические устройства, способные в сотни и тысячи раз быстрее обрабатывать и передавать информацию, чем используемые сейчас электронные схемы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.

Получение подобных импульсов, длительность которых крайне мала, позволит создать сверхбыстрые оптические аналоги радиоэлектронных схем, способных в сотни и тысячи раз быстрее обрабатывать и передавать информацию. Причина резкого роста информационной емкости импульсов — их униполярность, то есть в импульсе не происходит изменения направления, нет несущей, а значит резко возрастает ширина полосы частот, которая простирается от нулевого значения до, например, видимой области спектра. Информационная емкость сигнала включает все диапазоны частот от радио- и микроволнового до оптического. Соответственно, имея источник такого излучения, можно лишь с его помощью организовать радиотрансляцию, световое шоу и многое другое.

«Мы также исследовали возбуждение и ионизацию квантовых систем при воздействии предельно короткими и униполярными импульсами света, когда их длительность короче орбитального периода электрона в атоме. Благодаря однонаправленному воздействию такие импульсы способны быстрее и эффективнее возбуждать их по сравнению с обычными биполярными длинными импульсами», — добавляет Николай Розанов, академик РАН, главный научный сотрудник ФТИ им. Иоффе.  

При воздействии на микрообъекты униполярных импульсов такой малой длительности традиционные теории становятся неприменимы. В этом случае, как показали результаты проведенных исследований, ведущую роль играет уже электрическая площадь действующего импульса — она определяется, как интеграл от напряженности электрического поля по времени в данной точке пространства). Для обычных многоцикловых импульсов, которые получаются в лазерных установках на сегодняшний день, электрическая площадь всегда близка к нулю.

«Для оценки степени эффективности воздействия таких предельно коротких импульсов импульсов на различные квантовые системы нами была введена новая физическая величина — "атомная мера площади". Как показали наши исследования, вероятности возбуждения и ионизации атомных систем определяются отношением электрической площади импульса к ее атомной мере, а не энергией импульса или его амплитудой», — добавил Николай Розанов.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Read also

Тонкий слой кремнезема позволил золотым наночастицам «сиять» ярче
Наночастицы золота, покрытые тонким слоем кремнезема, лучше рассеивают свет, чем те, что имеют плотную «шубу», а значит, их можно использовать как систему адресной доставки лекарств с «маячком» для слежения
Materials Science
Mathematical modeling
Nanomedicine
Nanophotonics
Nanotechnology
Optics
17 January 2023
Микроволновые разряды помогут управлять сверхзвуковыми летательными аппаратами
Физики и механики разработали теоретическую модель, описывающую процесс формирования нитевидных микроволновых разрядов в газах. В этом случае газ нагревается до температур порядка 830°С и выше, и в нем формируется большое количество заряженных и возбужденных частиц. Это явление можно использовать в аэродинамике и космонавтике, чтобы воздействовать на потоки газа вблизи летательных аппаратов и тем самым управлять полетом, поскольку эти структуры влияют на скорость и траекторию движения аппарата.
Cosmonautics
Mathematical modeling
Plasma Physics
Space
22 March 2024
Создан прозрачный электрод, который пропускает свет в ИК и видимом диапазоне
Ученые разработали прозрачный электрод — элемент, проводящий электрический ток, — на основе соединения германия и кальция, который повысил светочувствительность экспериментального фотодетектора на 85%. Такие электроды можно будет использовать в волоконно-оптических линиях передачи информации для более быстрого интернета, а также при создании покрытий для «умных» окон, которые смогут противостоять обледенению и запотеванию благодаря способности эффективно нагреваться при приложении небольшого электрического напряжения.
Electrophysics
Optics
Optoelectronics
16 March 2024
Предложен подход, позволяющий получать световые импульсы разной формы
В обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде, то есть по кривой в виде попеременно опускающихся и поднимающихся дуг. Ранее считалось, что иные формы поля невозможны, но физики предложили теоретический подход, который позволяет получать световые импульсы прямоугольной или треугольной формы. Согласно расчетам, такие изменения формы возникают при взаимодействии импульса с определенными средами с неравномерной плотностью. Треугольные и прямоугольные импульсы могут применяться в квантовых компьютерах для управления кубитами — элементами, отвечающими за хранение и обработку информации.
Laser physics
Optics
Quantum Physics
Theoretical physics
1 February 2024
Цифровые астроциты улучшили память нейросети на 20%
Ученые разработали первую в мире нейронную сеть, полностью построенную на принципах взаимодействия клеток реального головного мозга. Так, модель воспроизводит передачу сигналов не только между нервными клетками, но и между нейронами и астроцитами — вспомогательными клетками мозга. Эксперименты показали, что «подключение» астроцитов в работу нейросети улучшает ее способность «запоминать», то есть воспроизводить ранее полученную информацию, на 20%.
Cognitive Sciences
Mathematical modeling
Neural networks
30 January 2024
Микробы в вечной мерзлоте могут помешать резкому потеплению климата
Ученые выяснили, что высокое разнообразие микроорганизмов, населяющих зону вечной мерзлоты, может значительно снизить скорость потепления атмосферы у поверхности Земли. По мере таяния многолетнемерзлых грунтов микробы начинают выделять метан и, если видов бактерий мало, в определенный момент произойдет массовый выброс этого парникового газа. Высокое же видовое богатство приведет к меньшему — в масштабе нескольких градусов — нагреву воздуха планеты.
Geology
Mathematical modeling
Microbiology
13 December 2023