Вода и ниобат лития превратили красный свет в белый

Китайские физики пропустили излучение сапфирового лазера с длиной волны в 800 нанометров через кювету с водой и массивом ниобата лития и получили широкий спектр излучения всего оптического диапазона с интенсивностью в 10 децибел. Исследование, открывающее новые пути к сверхшироким, эффективным и дешевым белым лазерам, опубликовано в журнале Advanced Photonics Nexus.

Суперконтинуум (гладкий спектр излучения) получается при расширении первоначального излучения лазера под воздействием нелинейных процессов в среде, через которую пропускают свет. До сих пор нет четкого определения суперконтинуума по интенсивности или гладкости, а потому в каждом случае ученые рассматривают свойства для конкретных задач, например, два года назад физики сгенерировали суперконтинуум в ультрафиолетовой области с помощью газообразного азота и использовали его для адсорбционной спектроскопии.

Видимый и инфракрасные диапазоны света ученые уже умеют генерировать с помощью нелинейного оптоволокна, но этот метод обладает своими минусами — малая яркость, довольно низкая энергия излучения и малая площадь пучка. Существует и другой подход — пропускание высокомощного лазерного пучка через твердый материал, например, через иттрий-алюминиевый гранат или частотно-селективный кристалл периодически поляризованного ниобата лития. Они более эффективны по энергии и для уширения излучения используют нелинейные процессы второго и третьего порядка, однако под действием мощного излучения лазера разрушаются.

Решить эту проблему смогла группа китайских ученых под руководством Чжи Юань Ли (Zhi-Yuan Li) из Южно-китайского технологического университета. Они добавили в систему воду, которая тоже является оптически нелинейным телом, расширяющим спектр, но не испытывает оптического разрушения под действием лазерного пучка. В качестве первичного лазера ученые использовали сапфир с включениями титана, центральная длина волны которого составляет 800 нанометров, с максимальной энергией пучка в четыре миллиджоуля. А для создания суперконтинуума они решили использовать сочетание частотно-селективного кристалла ниобата лития и дистиллированной воды в кювете с размерами 40 × 30 × 30 миллиметров.

Сначала физики изучили эффект прохождения лазерного излучения через слой дистиллированной воды. Оказалось, что с увеличением мощности лазерного излучения увеличивалось и уширение спектра от 263 нанометров до 440 нанометров. При этом энергия выходящего из кюветы излучения падала приблизительно на 40-50 процентов относительно энергии входящего излучения.

Затем ученые поместили частотно-селективный кристалл ниобата лития размерами 20 × 6 × 2 миллиметра в кювету с дистиллированной водой. После прохождения кюветы спектр лазерного пучка включал в себя еще больший диапазон от 413 до 907 нанометров, а энергия пучка падала до 15 процентов от исходной энергии. При этом спектр стал более однородным, чем при использовании дистиллированной воды, а значит, комбинация кристалла ниобата лития и воды позволяет решить сразу две проблемы: и от лазерного разрушения защититься, и спектр излучения сделать более протяженным.

Чтобы понять, как именно вода выступает в качестве такой удобной среды для создания дешевого суперконтинуума, физики построили модель, в которой учитывали фазовую самомодуляцию и линейную дисперсию света. На первом этапе они проследили за эволюцией спектра при разных энергиях излучения — стало заметно, что на данный процесс значительным образом влияет полоса поглощения воды при 970 нанометрах. На следующем этапе ученые посчитали, как будет меняться спектр в зависимости от толщины водного слоя, через который проходит лазерный пучок — для генерации суперконтинуума уже достаточно одного сантиметра. Однако для описания широкого максимума при 515–598 нанометрах они предположили эффект вынужденного комбинационного рассеяния первого и второго порядка. Использовав оба механизма, ученые смогли с некоторой достоверностью описать спектр лазерного излучения после прохождения водного объема. Кристалл ниобата лития при этом вносит свой вклад благодаря генерации второй гармоники, однако его основной вклад при 400 нанометрах гасится за счет рэлеевского рассеяния в воде.

Исследования поведения лазерного излучения в воде не так уж редки. Три года назад физики проследили за распространением мощного лазерного пучка в воде — оказалось, что если мощность достаточно высока, то можно заметить тепловое линзирование прежде, чем конвекция его разрушит.