За квадриллионную долю секунды
Связанные световые импульсы стали мощнее в три раза и сохранили структуру
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.
Фото: Исмаил Алмикдад
Фото: Исмаил Алмикдад
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 им. Н. Э. Баумана (Москва), Института общей физики им. 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 им. Н. Э. Баумана.
Подготовлено при поддержке Российского научного фонда