Физики нашли простой способ получения сверхкоротких лазерных импульсов видимого диапазона

Физики экспериментально реализовали технологию генерации сверхкоротких импульсов света в видимом диапазоне без применения параметрического усиления и дополнительной посткомпресии. Для этого они использовали оптическое волокно с полым сердечником, в который закачан разреженный аргон. Предложенный метод по эффективности сопоставим с технически более сложными аналогами и позволит в будущем упростить исследование быстрых биологических и оптоэлектрических процессов. Исследование опубликовано в Nature Photonics.

Один из главных путей развития лазерной техники — это сокращение длительности импульса. Достижение масштаба фемтосекунд сыграло важнейшую роль в исследовании сверхбыстрой динамики в физических, химических и биологических системах. Такое сокращение при неизменной энергии импульса позволяет концентрировать ее в небольшом временном промежутке и достигать больших интенсивностей света и, как следствие, полей. Это дает возможность разгонять заряженные частицы, задействуя гораздо меньше пространства, чем в ускорительных технологиях.

Отдельного внимания заслуживают мощные сверхкороткие импульсы видимого диапазона, которые нужны для исследования биологических процессов, связанных с фотосинтезом и зрением, а также процессов, фотовозбуждения в оптоэлектронных устройствах. Их генерация, однако, сопряжена с большим количеством трудностей из-за хроматической дисперсии и сильных нелинейных эффектов. В настоящее время физики достигают генерации таких импульсов с помощью неколлинеарного оптического параметрического усиления или с помощью усиления чирпированных импульсов. В обоих случаях требуется технически сложная процедура посткомпрессии видимых импульсов, что ограничивает их применимость.

Группа физиков из шести стран под руководством Лука Раззари (Luca Razzari) экспериментально реализовала подход к генерации коротких лазерных импульсов в видимом диапазоне более простым способом. В основе их идеи лежит преобразование импульса под действием двух нелинейных эффектов: фазовой самомодуляции и четырехволнового смешения. Первый из них связан с тем, что фаза волны в мощном импульсе начинает зависеть от интенсивности. Это приводит к различным групповым скоростям передней и задней части импульса, в результате чего он сжимается, а его спектр расширяется. Второй эффект заключается во взаимной модуляции распространяющихся мод, в результате чего появляются дополнительные частотные компоненты.

В качестве нелинейной среды физики использовали трехметровое оптическое волокно с полой сердцевиной, в пространство которой они закачивали разреженный аргон. Они заводили внутрь него лазерные импульсы, генерируемые коммерческим иттербиевым лазером, длительностью 175 фемтосекунд, длиной волны 1035 нанометров и переменной энергией. Система регистрации измеряла спектры выходного излучения в видимом (400-800 нанометров) и инфракрасном (800-1200 нанометров) диапазонах.

Поскольку в основе перекачки энергии из инфракрасного диапазона в видимый лежат нелинейные эффекты, ее результат сложным образом зависит как от концентрации атомов аргона, так и от энергии импульса. Экспериментируя с этими параметрами, авторы выяснили, что при энергии импульса больше 0,8 миллиджоулей и давлении газа около 3 бар конверсия излучения в видимый диапазон достигает 4 процентов, что сопоставимо с конверсией в существующих технологиях.

Кроме того, рассмотрев этот процесс численно с помощью уравнений, описывающих распространение света в волноводах, они определили, что процесс образования компактного видимого импульса происходит на расстоянии 2,9 метров от входа. На расстоянии 3 метра он достигает оптимальных параметров после чего, из-за фазового рассогласования, его энергия перераспределяется. Измерение показало, что для максимальной энергии входного инфракрасного импульса, равной 0,94 миллиджоуля, длительность видимого импульса составила всего около 5 фемтосекунд, что соответствует примерно двум периодам колебания световой волны.

Волокна с полой сердцевиной обладают рядом полезных оптических свойств, однако работа с ними сопряжена с потерями света. Недавно мы рассказывали, как удалось решить эту проблему.

Марат Хамадеев