Ученые использовали идеи недоказанной гипотезы суперсимметрии из области физики элементарных частиц для улучшения свойств массивов лазеров. В результате им удалось подавить нежелательные возбуждения и добиться вчетверо большей интенсивности, чем возможно при использовании обычных массивов.

Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Обычно для повышения суммарной энергии лазерного луча увеличивают в размере оптические резонаторы, где зарождается излучение. Это может привести к нежелательным последствиям, так как чем крупнее резонатор, тем больше различных мод излучения в нем возникает, в то время как в идеальном случае необходима только одна поперечная мода.

В случае твердотельных лазеров эту проблему можно частично обойти путем объединения нескольких устройств в массив. При правильной настройке, моды из различных резонаторов будут взаимодействовать и начнут колебаться согласованно. Однако также в такой ситуации возможно появление высокочастотных «супермод», которые также негативно сказываются на мощности и возможности сфокусировать излучение в небольшой области.

В новой работе физики для решения этой проблемы оптики воспользовались наработками совсем из другой области.

Они применили принципы суперсимметрии — гипотезы об элементарных частицах, согласно которой у всех известных частиц существуют суперпартнеры с большой массой и определенными свойствами.

Теоретически эта идея решала многие проблемы, такие как загадку иерархии масс частиц, а также предлагала массу кандидатов в частицы темной материи, но исследования на Большом адронном коллайдере не нашли никаких свидетельств существования суперпартнеров, из-за чего многие физики перестали развивать эту гипотезу.

В 2013 году соавтор работы Деметриос Кристодоулидес понял, что «супермоды» колебаний лазерных массивов можно подавить, если каждая мода кроме основной будет специфическим образом спарена с высокоэнергетической «супер-супермодой». Эти особые моды можно спроектировать с большими потерями, что также не позволит обычным супермодам достичь достаточной интенсивности для усиления в резонаторе. Результатом применения этой идеи на практике стало новое исследование.

Авторы создали устройство из 9 связанных резонаторов, причем 5 из них формировали лазерный луч, а 4 остальных играли роль суперпартнеров. Одиночный источник создавал слабый луч с углом раствора в 24°. Стандартный массив повышал мощность в 10 раз, но и угол раствора увеличивался до 38° из-за влияния супермод. Созданная по новой методике установка формировала почти настолько же мощный луч, но угол раствора уменьшился до 11.6°, причем все излучение выходило на основной моде. В результате интенсивность в фокусе увеличилась в 4.2 раза. Авторы уверены, что подобный подход найдет применение в медицине, промышленности, передаче данных и в военных разработках.