Цивилизация
Оптические высокочувствутельные газовые анализаторы нужны во многих сферах, например в диагностике заболеваний человека, мониторинге экологической ситуации и детектировании токсичных газов. Для улучшения характеристик этих устройств необходимо разработать источник сверхкоротких лазерных импульсов. Варьируя характеристики составляющих установки, российские ученые обнаружили, что тулиевый волоконный лазер может испускать высокочастотные импульсы в трех режимах, неизменно возникающих при определенных условиях. С подробностями исследования можно ознакомиться в журнале Scientific Reports. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Сегодня лазеры играют огромную роль в приборостроении. Эти источники излучают узконаправленные пучки света в определенном диапазоне длин волн. Такой луч может использоваться для высокоточных измерений расстояний, выжигания по материалам и датчиков движения. В последнее время лазеры также широко используются и для медицинских целей: при диагностике заболеваний, в качестве очень тонкого скальпеля, прижигающего элемента или «пинцета» для манипуляций с отдельными клетками, например, при искусственном оплодотворении.
Обычно лазер воспринимается как источник непрерывного света. Тем не менее существуют устройства, в которых генерация световых волн происходит импульсно, и они идут друг за другом с очень маленьким запозданием, а потому воспринимаются глазом, как единое целое. Однако, для ряда практических приложений, например создания сверхчувствительных датчиков газа, необходимы лазеры, испускающие очень короткие, но яркие импульсы. С их помощью можно получить излучение сверхширокого спектра — суперконтинуум, — способное взаимодействовать с большинством молекул. Для реализации такого режима нужно синхронизировать световые волны в резонаторе лазера. Одним из способов такой синхронизации является метод нелинейной эволюции поляризации, при котором несогласованные по фазе моды (вид колебаний) поглощаются в поляризаторе, расположенном внутри резонатора лазера, а согласованные проходят через него и создают набор отдельных очень коротких импульсов света.
Российские ученые исследовали механизмы генерации импульсного излучения в тулиевом волоконном лазере на длине волны 1900 нм. Благодаря методу нелинейной эволюции поляризации такой лазер способен создавать стабильный поток интенсивных импульсов света. Исследователи изменяли физические характеристики системы и отслеживали их влияние на выходящие световые волны. Интересно, что во всех исследуемых случаях при превышении определенной мощности лазер неизменно работал в трех режимах, сменяющихся путем управления поляризацией в лазере. Первый режим представляет собой непрерывную последовательность шумоподобных световых импульсов. Это очень короткие импульсы со случайным образом изменяющимися амплитудой, длительностью и временными промежутками между ними. Второй — так называемый «режим солитонного дождя». Солитонами называют группы волн, не изменяющие свою форму в процессе распространения. Во втором режиме лазер испускает группы солитонов, между которыми независимо перемещаются солитоны, возникшие в резонаторе. Третий режим представляет собой группы взаимодействующих между собой оптических солитонов, испускаемые с постоянной частотой. Оказалось, что основной вклад в переключение между этими режимами вносит изменение настроек контроллера поляризации, задающего направление колебаний световых волн.
«Такие режимы интересны в первую очередь с точки зрения фундаментальных исследований для изучения процесса генерации ультракоротких импульсов в волоконных лазерах. Эти импульсы имеют уникальные параметры и различную динамику распространения в световодах. В предыдущих исследованиях было показано, что с помощью шумоподобных импульсов можно получить более гладкий и плоский суперконтинуум, что важно для спектроскопических применений. Лазеры с шумоподобными импульсами можно использовать в качестве источника излучения для высокочувствительных газовых анализаторов, датчиков температуры и для обработки материалов. Переключение между режимами позволит лучше изучить свойства суперконтинуума», — рассказал Владимир Лазарев, кандидат технических наук, начальник лаборатории стабилизированных лазерных систем Научно-образовательного центра «Фотоника и ИК-техника» Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана.
