聯合激光器用於探索拓撲缺陷

相互作用的激光器圓圈是一種新的激光器模型，能夠用於探索拓撲缺陷和看似不相關的系統中的無序結構。

如果慢慢冷卻鐵水，電子的自旋可以逐漸對準同一方向，從而產生強磁場。但快速冷卻鐵水將產生在各個方向上排列的磁疇，被稱為「拓撲缺陷」。宇宙在大爆炸后迅速冷卻，可能會出現類似的現象。為了研究實驗室中沒有溫度控制的拓撲缺陷形成，以色列魏茲曼研究所的Nir Davidson和同事現在已經開發了一個相互作用激光束的實驗模型。激光強度的成像使得它們可以測量形成拓撲缺陷可能性的一系列參數。

激光靶眼。10個相互作用的激光器（左）組成的圓圈可以使其相位同步，如圖像中心附近的明暗環之間的區別所示。但是使用20個激光器（右）組成的圓圈將有20％的可能性導致拓撲缺陷，其中相鄰的兩個激光器的相位產生了偏離，導致明暗相間的圓圈不明顯。圖片來源：V. Pal等人。

為了創建他們的實驗模型，Davidson和他的同事放置了一個圓盤，其中包含10到30個孔，在激光腔內排成一個圓圈。這個「掩模」產生了一組激光束，每組激光束從不同的孔中射出並將有一部分光泄漏到其兩束相鄰的激光束中，從而產生相互作用。這些相互作用導致光束之間的相位差隨時間變化。相互作用的演變極快，研究團隊只能通過記錄所產生的激光強度圖案，簡單地觀察其最終狀態。

這種最終狀態代表了在空腔中大約1000種不同激光縱模的組合效應。基本上相當於1000次獨立實驗同時運行，每次獨立實驗在激光器之間具有不同的初始相位關係。在許多情況下，激光束可以快速同步其相位，但是對於一些初始相位關係，光束將被「卡在」每束激光遠離其相鄰激光束固定相位的狀態。該團隊表明，使用十個激光器時，這些拓撲缺陷的狀態恰好是八個。

研究人員通過分析激光強度圖案測量拓撲缺陷形成的可能性，例如改變激光器數量和腔內激光的功率。他們發現，隨著激光功率的增加，拓撲缺陷變得越來越大。該團隊通過模擬解釋了該結果，表明當激光功率高時，光束之間的強度變化迅速下降，而低功率與較慢的強度平衡有關。他們稱，較慢的平衡相當於較慢的冷卻速率，因此形成拓撲缺陷的可能性較低。