Європейські фізики виявили спонтанне порушення поляризаційної симетрії світла, що випускається безперервним лазером, в резонаторі Фабрі - Перо. У їхньому досвіді лінійно поляризоване світло, починаючи з деякого порогу потужності, несиметрично розщеплювалося на компоненти з круговою поляризацією. Ефект може бути корисним для повністю оптичного управління поляризацією, а також для створення чутливих поляризаційних детекторів. Дослідження опубліковано в.
Спонтанне порушення симетрії - це випадковий процес, при якому симетрія системи зменшується на догоду найменшій енергії. Ця концепція відіграє велику роль у різних розділах фізики, починаючи від квантової теорії поля, де таке порушення забезпечує роботу хіггсовського механізму, і закінчуючи холодними газами.
У принципі, симетрія може порушуватися щодо будь-якої фізичної величини. Так, наприклад, фізики передбачили і виявили спонтанне порушення симетрії щодо поляризації світла в кільцевих резонаторах. Воно виникає в той момент, коли інтенсивність лазерного імпульсу стає досить великою, щоб викликати керрівську нелінійність. Цей ефект, однак, ще жодного разу не спостерігався в резонаторах іншого типу, а також за допомогою безперервних лазерів.
Найл Мороні (Niall Moroney) з Інституту фізики світла Товариства Макса Планка з колегами з Великобританії, Німеччини та Швейцарії експериментально виявили спонтанне порушення симетрії щодо поляризації світла, що випускається безперервним лазером, в резонаторі Фабрі - П'єро. Ефект виникає через конкуренцію між модами з різною круговою поляризацією, в результаті чого одна з них виявляється домінуючою. Таке порушення можна використовувати в поляризаційних детекторах і повністю оптичних схемах.
Спочатку фізики записали і вирішили динамічне рівняння, що описує поведінку компоненти електричного поля довільної кругової поляризації в резонаторі з керівською нелінійністю. Ефект Керра відомий тим, що електричне поле здатне викликати в середовищі подвійне променепреломління, яке наділяє світло різною груповою швидкістю залежно від орієнтації його поляризації.
У випадку, коли інтенсивність світла досить велика, він сам створює модулююче електричне поле в міру свого поширення. Тоді, як показали розрахунки, кожна компонента з однією круговою поляризацією набуває відбудову, визначену амплітудою поля протилежної поляризації. Іншими словами, чим сильніша одна компонента, тим слабша інша, і навпаки. В ідеально збалансованій системі тиск компонент врівноважений, проте він не стабільний. Будь-яке мале обурення цього балансу призводить до посилення однієї компоненти і придушення іншої.
Щоб виявити цей ефект, фізики виготовили резонатор Фабрі - Перо з одномодового кремнеземного волокна довжиною два метри, закритого з обох кінців високовідбираючими брегівськими дзеркалами (понад 99 відсотків на довжині хвилі 1550 нанометрів). Вони заводили туди посилене світло безперервного діодного лазера різної інтенсивності та відбудови від резонансу. Вхідний промінь мав вертикальну лінійну поляризацію, а автори стежили за поляризаційним складом виходу світла.
При потужності джерела нижче порогових семи міліват у вихідному випромінюванні не було горизонтальної компоненти, а кругові компоненти були однакові. Однак при великих потужностях ця ситуація змінилася: чим більшою була інтенсивність, тим більшим був дисбаланс компонент з різною круговою поляризацією. При цьому параметр Стокса, який відповідає за міру еліптичності світла, лінійно залежав від потужності вище порогу.
Автори зазначають, що теорія спонтанного порушення поляризаційної симетрії наказує випадковий результат того, яка з компонент домінуватиме. У досвіді ж посилювалася завжди одна і та ж компонента, оскільки у волокні завжди присутнє залишкове двопромінювання, так само як і завжди є невеликий поляризаційний дисбаланс у вхідному випромінюванні. Цей факт дозволить використовувати виявлений ефект у чутливих поляризаційних детекторах. Крім того, запропоноване управління параметром Стокса може бути використано при створенні повністю оптичних поляризаційних контролерів, які будуть швидше своїх теплових або механічних аналогів.
Поляризаційна симетрія - це не єдина симетрія, яка може порушуватися в оптиці. Ми вже розповідали про порушення симетрії по відношенню до інверсії часу при розсіянні світла наночастинкою і при проходженні його через оптичний діод.