Исключительные точки меняют порядок генерации мод в лазерах

Иллюстрация основного концепта: траектории собственных значений в зависимости от приложенного усиления для изображенной структуры резонатора. Автор: Юлиус Кулиг.

Исключительные точки (Exceptional Points, EP) — это неэрмитовы сингулярности, в которых два или более собственных состояния сливаются, что приводит к коллапсу собственного пространства по размерности. За последнее десятилетие исследователи обнаружили множество экзотических явлений вблизи исключительных точек.

В физике лазеров, например, EP связывали с прекращением генерации, индуцированным накачкой, генерацией, вызванной потерями, и с проектированием квази-РТ-симметричных лазерных систем, которые повышают выходную мощность лазеров большой площади, сохраняя при этом одномодовый режим работы.

Новые открытия бросают вызов общепринятым представлениям

Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, сообщает еще об одном удивительном эффекте EP в лазерных системах. В работе задается простой вопрос: в лазерном резонаторе, поддерживающем несколько мод в пределах полосы усиления, всегда ли первая мода, достигающая порога генерации, является той, у которой наибольшее усиление и самая быстрая скорость его нарастания? Общепринятая точка зрения предполагает, что да. Однако авторы демонстрируют, что эта интуиция может подводить.

«Мы рассмотрели сценарий, в котором две моды с более низкими добротностями сливаются в EP (или испытывают избегаемое пересечение вблизи EP) по мере увеличения материального усиления. Наша интуиция подсказывала, что это слияние может усилить эффективное модовое усиление одной из этих мод, позволяя ей первой достичь порога», — сказал Рами Эль-Ганайни, доктор философии, профессор оптики и фотоники на кафедре электротехники и вычислительной техники Университета Сент-Луиса, соответствующий автор статьи.

Процесс сотрудничества и открытия

Идея возникла в результате научного обмена.

«Рами подошел ко мне с идеей, что EP могут изменять порядок порогов генерации во время встречи, организованной Математическим исследовательским институтом Обервольфаха (MFO) в Германии, по нелинейной оптике: физике, анализу и численным методам.

Мы обсудили это, и он высказал некоторые идеи об использовании как однополостных, так и связанных резонаторных систем для наблюдения эффекта. Я понял, что, вероятно, смогу идентифицировать сценарий, когда это происходит в однополостной системе при равномерной накачке», — сказал Юлиус Кулиг, научный сотрудник постдокторантуры в группе Яна Вирзиля в Институте физики Университета Отто-фон-Герике в Магдебурге, первый автор статьи.

Вернувшись в Магдебург, Кулиг и Вирзиль взялись доказать, что такой случай действительно существует. Тем временем Ци Чжун, в то время научный сотрудник постдокторантуры в группе Эль-Ганайни в Университете Сент-Луиса, вместе с Эль-Ганайни разработали дискретную фотонную систему, состоящую из связанных резонаторов, в которой также можно было продемонстрировать этот эффект.

Это открытие подчеркивает, что даже в устоявшихся областях, таких как лазерная инженерия, пересмотр фундаментальных предположений через призму неэрмитовой физики может дать неожиданные результаты. Оно также подчеркивает ключевую роль финансируемых научных встреч, подобных тем, что организует MFO, в содействии сотрудничеству, объединяющему экспертов из разных учреждений и исследовательских культур.

Больше информации: Julius Kullig et al, Exceptional Points and Lasing Thresholds: When Lower-Q Modes Win, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/zc6x-pfw2. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2510.23846

Источник: Saint Louis University