Generalized application and time-reversal of the lasing principle

Abstract

Die Erfindung des Lasers hatte einen enormen Einfluss auf unsere Gesellschaft - kaum eine andere Technologie erstreckt sich auf so viele verschiedene Anwendungsbereiche. Die besonderen Eigenschaften des Laserlichts, welches sich durch hohe Intensität und Kohärenz auszeichnet, führten zu einem erheblichen technologischen Fortschritt. Wie sich herausgestellt hat, ist das zugrundeliegende Prinzip des Laserprozesses - die stimulierte Emission - jedoch nicht auf Licht und elektromagnetische Strahlung beschränkt, sondern kann in ähnlicher Art und Weise auch auf andere Signalformen, wie etwa mechanische Oszillationen, angewandt werden. Diese Erkenntnis lieferte die Grundlage für die Entwicklung von Phononenlasern, welche als das akustische Gegenstück zu optischen Lasern gesehen werden können. Mit Hilfe dieser neuartigen Laservorrichtungen eröffnen sich zahlreiche faszinierende Forschungsbereiche mit vielversprechenden Anwendungsmöglichkeiten. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, verkörpern Phononenlaser eine geeignete Plattform, um den Einfluss eines sogenannten Ausnahmepunkts (engl. „exceptional point“, EP) auf die Eigenschaften eines Lasers zu untersuchen. EPs sind eine spezielle Art von nicht-hermitescher Entartung, bei der mehrere Eigenwerte und auch die dazugehörigen Eigenvektoren miteinander verschmelzen, wodurch wiederum andere interessante Effekte hervorgerufen werden können. Eine der ersten theoretischen Vorhersagen im Zusammenhang mit EPs war die extreme Verbreiterung der Laserlinienbreite auf Grund der nicht-Orthogonalität der Resonatormoden. Während dieser Effekt niemals direkt in einem optischen Laser beobachtet werden konnte, hat sich die Situation mit der Verfügbarkeit von Phononenlasern entsprechend geändert. Durch die Untersuchung des Verhaltens eines Phononenlasers in der Umgebung eines EPs, sowohl theoretisch als auch experimentell, konnte in der vorliegenden Arbeit diese EP-induzierte Linienverbreiterung erstmals explizit sichtbar gemacht werden. Weiters beschäftigt sich diese Dissertation mit der Zeitumkehr des Laserprinzips. Vor einigen Jahren wurde gezeigt, dass ein bestimmtes monochromatisches Signal perfekt von einem Objekt absorbiert werden kann, wenn sowohl die exakte Signalform als auch die Absorptionsstärke genau aufeinander abgestimmt werden. Dieser Vorgang, der als „kohärente perfekte Absorption“ bezeichnet wird, kann als die zeitumgekehrte Version des Laserprozesses an der Laserschwelle verstanden werden, weshalb man in diesem Zusammenhang auch von einem Anti-Laser spricht. Während sich frühe Ausführungen von kohärenten perfekten Absorbern auf relativ einfache Systeme mit einem gewissen Grad an geometrischer Symmetrie beschränkt haben, konnte im Rahmen dieser Dissertation gezeigt werden, wie dieses Konzept auch auf ungeordnete Medien und komplexe Streusysteme verallgemeinert werden kann. Basierend auf dieser technischen Verbesserung wird hier die erste experimentelle Umsetzung eines Zufalls-Anti-Lasers vorgestellt. In diesem Zusammenhang wird auch das Phänomen der „kohärenten virtuellen Absorption“ diskutiert, bei dem die Energie eines geeignet geformten einlaufenden Signals vorübergehend in einem verlustlosen System gespeichert wird und bei Bedarf wieder freigesetzt werden kann, wenn das einlaufende Signal geändert wird. Dieser Effekt kann unter anderem dafür genutzt werden, das gestreute Signal von einem unvollkommen absorbierenden System temporär zu unterdrücken, um die Resonanz eines idealen Anti-Lasers zu imitieren. Darüber hinaus werden Methoden zur weiteren Verbesserung der technischen Anwendbarkeit von Anti-Lasern vorgestellt. Einerseits wird gezeigt, wie ein System konstruiert werden kann, um ein vordefiniertes Signal mit beliebig gewählter Frequenz perfekt zu absorbieren, indem die innere Struktur des Systems optimiert wird. Andererseits wird die kohärente perfekte Absorption von Signalen mit beliebiger Wellenfront in einer entarteten Kavität besprochen. Letzteres wird dabei auch mit aktuellen experimentellen Ergebnissen verglichen, welche unsere theoretischen Vorhersagen bestätigen. Zuletzt wird noch ein Schema für die perfekte Absorption von elektromagnetischen Pulsen, also von äußerst breitbandigen Signalen, vorgeschlagen.

The invention of the laser had a tremendous impact on our society - hardly any other technology can be found in so many different fields of applications. The special properties of laser light, which is characterized by high intensity and coherence, enabled formidable technological advances. As it turned out, the underlying principle of the lasing process - stimulated emission - is not limited to light and electromagnetic radiation but can be similarly applied to other signal forms like, for example, mechanical oscillations. That insight provided the basis for the development of phonon lasers, which can be considered as the sonic equivalent to optical lasers. This novel type of laser device opens up many areas of fascinating new physics with promising applications. As we show in this thesis, phonon lasers represent a suitable platform to study the influence of a so-called “exceptional point” (EP) on the lasing characteristics. EPs are a special type of non-Hermitian degeneracy at which some of the eigenvalues and also their corresponding eigenvectors coalesce, which can in turn induce several other interesting effects. An early theoretical prediction associated with EPs was the extreme broadening of the laser linewidth caused by the non-orthogonality of the resonator modes. While this effect could never be directly observed in an optical laser, the situation changed with the availability of phonon lasers. Our work demonstrates the first observation of this EP-induced linewidth broadening by investigating the behavior of a phonon laser in the vicinity of an EP, both theoretically and experimentally. Furthermore, this thesis deals with the time-reversal of the lasing principle. Recently, it was shown that a specific monochromatic signal can be perfectly absorbed by an object if both the exact waveform and the absorption strength are precisely tuned. This process, which is called “coherent perfect absorption”, can be considered as the time-reverse of lasing at threshold and is therefore also referred to as anti-lasing. While early implementations of coherent perfect absorbers were limited to relatively simple systems with a certain degree of geometric symmetry, we demonstrate in the framework of this dissertation how the concept can be extended to the general case of disordered media and complex scattering systems. Based on this technical improvement, we present the first experimental realization of a random anti-laser. In this context, we also discuss the phenomenon of “coherent virtual absorption”, where the energy of a suitably shaped incident signal is transiently stored inside a lossless structure and can be released on demand if the incoming waveform is changed. We further make use of this effect to suppress the scattered signal from an imperfectly absorbing system temporarily in order to mimic the response of an ideal anti-laser. Moreover, several methods to improve the versatility of coherent perfect absorbers for technical applications are presented. On the one hand, we show how specific input states with predefined frequency can be perfectly absorbed if the system structure is accordingly engineered. On the other hand, the coherent perfect absorption of signals with arbitrary wavefront is discussed in the framework of a degenerate cavity anti-laser. The latter is also compared to recent experimental results which verify our theoretical predictions. Finally, we propose a protocol for the perfect absorption of electromagnetic pulses, i.e., highly polychromatic signals.