Связанные световые импульсы стали мощнее в три раза и при этом сохранили свою структуру

Установка волоконного эрбиевого генератора

© Исмаил Алмикдад

Ученые разработали новый метод генерации суперконтинуума — источника излучения с широким спектром, волны которого синхронизированы. Подход основан на усилении связанных групп ультракоротких световых импульсов, называемых солитонными молекулами. Авторам удалось усилить солитонные молекулы до рекордной мощности и получить сверхширокий выходной спектр излучения. Эти результаты открывают возможности для разработки новых технологий в области интерферометрии, оптики и квантовой физики, например, квантовых компьютеров. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.

Солитонные молекулы — это связанные группы ультракоротких световых импульсов, которые движутся вместе на определенном расстоянии друг от друга как единое целое. Физики научились формировать на их основе сложные структуры с контролируемым количеством импульсов. Это позволяет использовать их для создания компактных источников когерентного суперконтинуума с гребенчатой структурой — устройств, которые генерируют мощное излучение, состоящее из узких, равноотстоящих друг от друга оптических линий, с диапазоном частот от ближнего до среднего инфракрасного излучения. Такие устройства нужны, например, для разработки лазерных источников света с высокой яркостью, которые могут применяться в микрохирургии, а также в сверхточных оптических часах и других устройствах.

Однако чаще всего суперконтинуум удается получить только с помощью дорогостоящих установок на основе высоконелинейных волокон — оптических волокон, которые усиливают и изменяют проходящий через них свет. В таком материале мощные импульсы часто распадаются на большое количество импульсов с низкой мощностью. В связи с этим суперконтинуум становится некогерентным (волны такого излучения не синхронизированы), из-за чего ухудшается качество светового сигнала.

Ученые из Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (Москва), Института общей физики имени А.П. Прохорова РАН (Москва) и Харбинского политехнического университета (Китай) разработали волоконный лазер, содержащий ионы эрбия. Он стабильно генерировал заданное количество импульсов в режиме солитонных молекул (от 3 до 10). Длительность полученных импульсов составила 509 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды), а расстояние между ними — 2,64 пикосекунды (2,64 триллионных доли секунды).

Благодаря усилению солитонных молекул в эрбиевом лазере авторы получили мощное излучение в диапазоне от 1400 до 1700 нанометров с высокой стабильностью и когерентностью. Этого удалось достигнуть без использования дополнительных компонентов, например, высоконелинейных волокон, но при этом получилось сохранить четкую структуру импульсов без последующего деления. Кроме того, мощность генерируемого лазерного луча оказалась равна 152 милливатт, что в три раза выше, чем было достигнуто в ранее созданных подобных системах.

«Технология генерации солитонных молекул в эрбиевых волоконных системах открывает новые перспективы для медицины и квантовых исследований. В медицинской сфере она позволит существенно улучшить качество томографических изображений живых тканей и усовершенствовать микрохирургические операции. В научных разработках технологию можно использовать для точной передачи информации, создания квантовых световых состояний и улучшения точности квантовых вычислений. В дальнейшем мы планируем разработать источник мощных ультракоротких импульсов на основе полученных нами результатов. Усиление солитонных молекул позволяет не только получить суперконтинуум, но и открывает возможность генерации излучения с высокой средней мощностью, что перспективно для ранее упомянутых областей», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Станислав Сазонкин, начальник лаборатории волоконных лазеров ультракоротких импульсов НОЦ «Фотоника и ИК-техника» Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана.

Источник: indicator.ru