В лабиринтах света

Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН впервые продемонстрировали эффективную каскадную генерацию высоких порядков волоконного лазера со случайной распределённой обратной связью (СРОС-лазера). Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports группы Nature.

«Любой лазер — это среда, усиливающая свет. По краям её стоят зеркала. Они и создают обратную связь, которая возвращает луч, пытающийся выйти из этой среды, обратно. Он начинает бегать по замкнутому пространству, усиливаться, и в результате его интенсивность достигает очень больших величин, и получается очень мощное лазерное излучение», — рассказывает научный сотрудник ИАиЭ СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Дмитриевич Ватник.

news2016-04-28a1

Лазер с распределённой обратной связью — это лазер, у которого зеркала находятся не по краям, а помещены всюду вдоль активной среды. А слово «случайная» означает, что они там расположены совершенно непредсказуемым, никому не известным образом.

Отражаясь от разных зеркал, лазерные лучи смешиваются, накладываются друг на друга, в результате получается сложная картина эволюции света, который через активную среду взаимодействует сам с собой. Пока никому не известно, каким образом всё это происходит. Именно поэтому СРОС-лазер так интересен исследователям.

Классический пример подобного прибора — оптоволокно. Оно представляет собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), внутри которой возникают некие уплотнения, работающие как зеркала. Распределённая обратная связь реализуется именно за счёт этих «неоднородностей». «От других СРОС-лазеров лазер на оптоволокне отличается тем, что, во-первых, он как будто одномерный, то есть свет распространяется в нём не в объеме в разных направлениях, а лишь вперёд-назад. Вторая и главная особенность: небольшая величина обратной связи. Зеркала здесь являются очень-очень слабыми. Чтобы сделать такое зеркало, которое полностью отразило бы излучение, пришлось бы взять волокно длиной десять тысяч километров», — рассказывает Илья.

Учёным из ИАиЭ СО РАН удалось приблизиться к разрешению загадки оптоволоконного СРОС-лазера. Сейчас они более-менее понимают, как из этого «супа» многочисленных лучей, отражённых из разных точек, вырастить то излучение, которое в итоге видно в эксперименте. Модель, описывающая формирование специфического спектра генерации лазера, была опубликована в журнале Nature Communcations.

А недавно та же группа исследователей под руководством заместителя директора по научной работе ИАиЭ СО РАН, заведующего лабораторией волоконной оптики, член-корреспондента РАН Сергея Алексеевича Бабина показала, что эффективность генерации этого лазера (при том, что сам он очень простой) может быть очень высокой.

news2016-04-28a2

«Здесь происходит преобразование излучения накачки на одной длине волны в излучение так называемой стоксовой компоненты с большей длиной волны. При этом за счёт случайной распределенной обратной связи этот процесс идёт с высокой квантовой эффективностью, то есть практически каждый квант излучения накачки преобразуется в квант излучения генерации (стоксовой компоненты). В этом же лазере возможен и каскадный процесс. Точно так же, как накачка преобразовывалась в генерацию стоксовой компонентеы, возможно преобразование последней в излучение второй стоксовой компоненты, с ещё большей длиной волны. В феврале 2016 года мои коллеги опубликовали статью в журнале Scientific Reports группы Nature, в которой показали, что за счёт влияния случайной распределенной обратной связи, этот процесс тоже происходит с высокой квантовой эффективностью, составляющей 80%. То есть из 10 квантов первой стоксовой компоненты восемь успешно «превращаются» в кванты второй стоксовой компоненты. Та в свою очередь преобразуется в третью, третья в четвёртую и так далее. У каждой следующей компоненты длина волны больше, чем у предыдущей. Таким образом, мы можем получать излучения с большой длиной волны из излучения накачки с намного меньшей длиной волны за счёт многокаскадного преобразования внутри лазера, при этом в каждом каскаде (на каждом этапе преобразования) эффективность «превращения» квантов предыдущего каскада в следующий очень высока. Полная эффективность преобразования квантов накачки в кванты, к примеру, пятой стоксовой компоненты также составит 80 %, — комментирует работу коллег Илья Ватник. — Если же использовать другие типы обратной связи, то эффективность преобразования будет зависеть от номера каскада, и в итоге может оказаться меньшей, чем у нас. То есть, можно сделать преобразование эффективней и дешевле, если использовать вместо обычной обратной связи нашу — случайную распределённую».

На практике это может означать существенное улучшение системы высокоскоростной передачи информации на большие расстояния. Например, оптоволокно применяется в телекоммуникационных линиях связи. Когда передаётся фильм из Европы в Америку (а это несколько тысяч километров), по проложенному по дну океану волокну запускается лазерный луч, однако его силы недостаточно, чтобы долететь до места назначения. Если каждые 50-100 км не использовать специальные усилители света, он очень быстро затухнет. СРОС-лазер способен служить одним из таких усилителей. За счёт того, что он может быть в три раза длиннее подобных устройств других типов, на расстояние от Европы до Америки его потребуется в три раза меньше, это обещает значительную экономию. Кроме того, лазер со случайной распределённой обратной связью может быть гораздо дешевле и проще некоторых существующих аналогов, применяющихся в биомедицине и астрономии. Однако, предупреждают исследователи, для того, чтобы разработка вошла в жизнь, необходимо решить ещё множество промежуточных вопросов и уточнить множество деталей, поэтому о практическом использовании говорить ещё рано.

Подготовила Диана Хомякова

Фото предоставлены исследователями

Источники:

В лабиринтах света – Наука в Сибири (sbras.info), Новосибирск, 27 апреля 2016.

В России создан лазер со случайной распределенной обратной связью – Nanonewsnet.ru, Москва, 28 апреля 2016.

В России создан лазер со случайной распределенной обратной связью – Научная Россия (scientificrussia.ru), Москва, 28 апреля 2016.

Сибирские ученые создали волоконный лазер нового поколения – Российская газета (rg.ru), Москва, 28 апреля 2016.

Новосибирские ученые создали сверхмощный волоконный лазер – Kant (kant.kg), Бишкек, 28 апреля 2016.

Новосибирские ученые создали сверхмощный волоконный лазер – Mir24.tv, Москва, 28 апреля 2016.

Ученые из Новосибирска создали высокоэффективный волоконный лазер – Resfo.ru, Новосибирск, 28 апреля 2016.

Новосибирские ученые создали высокоэффективный волоконный лазер – Inline.ru, Москва, 28 апреля 2016.

Новосибирские ученые создали высокоэффективный волоконный лазер – ИНТЕРФАКС-СИБИРЬ, Новосибирск, 28 апреля 2016.