Исследователи из Университета Рочестера и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разработали лазерное устройство размером меньше пенни. Они утверждают, что оно может использоваться в системах LiDAR, применяемых в беспилотных автомобилях, а также для обнаружения гравитационных волн — одного из самых сложных экспериментов для наблюдения и понимания нашей Вселенной.
Оптическая метрология на новом уровне
Оптическая метрология — это методы измерения физических свойств объектов и материалов с помощью лазеров. Однако для достижения точного контроля лазерных волн требуется громоздкое и дорогостоящее оборудование.
Новый чип-лазер, описанный в статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, может проводить чрезвычайно быстрые и точные измерения. Он изменяет свой цвет с высокой точностью в широком спектре света на очень высоких скоростях — около 10 квинтиллионов раз в секунду.
Преимущества нового лазера
В отличие от традиционной кремниевой фотоники, лазер изготовлен из синтетического материала, называемого ниобатом лития, и использует физический феномен, известный как эффект Поккельса. Этот эффект изменяет показатель преломления материала при наличии электрического поля.
«Есть несколько приложений, для которых мы стремимся разработать решения, — говорит Шиксин Сюэ, аспирант под руководством Цян Линя, профессора кафедры электротехники, вычислительной техники и оптики. — Первое — это LiDAR, который уже используется в автономных транспортных средствах. Более продвинутая форма, известная как частотно-модулированный непрерывный LiDAR, требует большого диапазона настройки и быстрой настройки частоты лазера, и это то, что может делать наш лазер».
Демонстрация возможностей
Исследователи продемонстрировали, как их лазер может использоваться для управления системой LiDAR на вращающемся диске и идентификации букв U и R, сделанных из блоков LEGO. Они говорят, что миниатюрный демонстрационный вариант может быть масштабирован для обнаружения транспортных средств и препятствий на шоссе.
Лазер для частотной синхронизации
Исследователи также продемонстрировали, как чип-лазер может использоваться для лазерной частотной синхронизации по методу Pound-Drever-Hall (PDH). Это распространённый метод, используемый для сужения, стабилизации и снижения шума лазера.
«Это очень важный процесс, который можно использовать для оптических часов, измеряющих время с чрезвычайной точностью, но для этого требуется много оборудования», — говорит Сюэ.
Протонные пучки гигаэлектронвольтного диапазона в компактных установках
Протонные пучки с энергиями в гигаэлектронвольтах (ГэВ), которые ранее считались достижимыми только с помощью массивных ускорителей частиц, вскоре могут быть получены в компактных установках благодаря прорыву, совершённому исследователями из Университета Осаки.
Команда под руководством профессора Масакацу Мураками разработала новую концепцию, называемую ускорением с помощью микроноzzle (MNA). Они успешно продемонстрировали генерацию высококачественных протонных пучков класса ГэВ с помощью усовершенствованного численного моделирования.
Статья о прорыве
Статья «Генерация гигаэлектронвольтных протонных пучков с помощью микроноzzle ускорения» была опубликована в Scientific Reports.
В отличие от традиционных методов лазерного ускорения, использующих плоские мишени и достигающих пределов энергии ниже 100 мегаэлектронвольт (МэВ), структура микроноzzle позволяет поддерживать устойчивое, поэтапное ускорение протонов в мощном квазистатическом электрическом поле, созданном внутри мишени.
«Это открытие открывает новую дверь для компактного, высокоэффективного ускорения частиц», — говорит профессор Мураками. «Мы считаем, что этот метод может революционизировать такие области, как лазерный термоядерный синтез, продвинутая радиотерапия и даже лабораторная астрофизика».
Анализ турбулентности с помощью информационной энтропии
Турбулентность в природе относится к сложным, зависящим от времени и пространственно меняющимся колебаниям, которые развиваются в жидкостях, таких как вода, воздух и плазма. Она является универсальным явлением, которое проявляется в широком диапазоне масштабов и систем — от атмосферных и океанических течений на Земле до межзвёздного газа в звёздах и галактиках.
Исследователи из Национального института термоядерных исследований разработали новый аналитический метод, называемый многополевой сингулярной декомпозицией значений (MFSVD). Этот метод расширяет математическую основу сингулярной декомпозиции значений до нескольких физических величин, позволяя разложить сложную турбулентность на набор общих пространственных паттернов (или базисов), которые улавливают коррелированные колебания в разных полях, таких как плотность, температура и электрический потенциал.
Исследование опубликовано в Physical Review Research. MFSVD позволяет анализировать, как эти многопеременные колебания коллективно управляют формированием и эволюцией турбулентных структур, таких как вихри и крупномасштабные потоки, с единой точки зрения.
Новые меры на основе информационной энтропии
Из общих пространственных мод, извлечённых с помощью MFSVD, исследователи определили две новые меры, основанные на информационной энтропии: энтропию фон Неймана (vNE) и энтропию запутывания (EE).
Эти величины позволяют выразить детальные взаимодействия, такие как передача энергии или флуктуаций между конкретными паттернами, в единой мере. В отличие от традиционного анализа, для захвата такой динамики потребовался бы анализ обширных наборов данных.
Подход, предложенный в этом исследовании, открывает новые возможности для понимания динамики турбулентности и других сложных явлений.