В полой мере: ученые из РФ первыми в мире создали особые лазеры
Российские ученые первыми в мире сумели получить лазерное излучение на специальных устройствах из кварцевого стекла — полых световодах. Это позволит в тысячи раз увеличить итоговую мощность существующих приборов, работающих на оптоволокне. Эксперты называют открытие принципиально важным для науки, так как оно поможет создавать мощные и компактные установки для материаловедения, медицины, связи и так далее.
Тайна стеклянных нитей
Ученые из Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (Москва) нашли способ генерировать лазерное излучение в полых световодах — тонких «трубках» из кварцевого стекла с отражающей микроструктурой. Такой подход позволит в тысячи раз увеличить выходную мощность существующих волоконных лазеров. Кроме того, исследователи показали, что полые световоды могут эффективно преобразовывать лазерное излучение из ближнего инфракрасного диапазона в средний, удобный для анализа химического состава веществ.
Оптическое волокно, или световод, — это тонкая стеклянная нить, по которой можно передавать свет. При этом свет распространяется практически без потерь вдоль сердцевины — его центральной части — благодаря многократным отражениям от окружающей ее стеклянной оболочки. Мы постоянно сталкиваемся со световодами, когда, например, пользуемся интернетом, так как они лежат в основе оптических линий связи, объединяющих континенты в единое информационное пространство. Однако в устройствах, используемых на практике сегодня, сердцевина состоит из кварцевого стекла, через которое можно пропустить только видимый и ближний инфракрасный (ИК) свет, а на остальных длинах волн, в частности в среднем ИК-диапазоне, такие трубки абсолютно неприменимы.
Как рассказали «Известиям» ученые, преодолеть ограничения могут помочь полые световоды, которые активно разрабатываются и изучаются в ведущих лабораториях мира.
Несмотря на то что их отражающая оболочка всё так же состоит из кварцевого стекла, свет в них передается исключительно по полой сердцевине, что значительно расширяет возможные применения этих устройств.
— Наше исследование — это первая в мире демонстрация лазерной генерации в полых световодах. Эта работа открывает новое направление, которое позволит в будущем генерировать в них лазерные импульсы такой мощности, которая в тысячи раз превосходит порог разрушения в обычных широко используемых устройствах со стеклянной сердцевиной. В дальнейшем мы планируем не только существенно повысить выходную мощность созданных нами газоразрядных волоконных лазеров, но и значительно расширить набор генерируемых ими длин волн как в средней инфракрасной, так и в ультрафиолетовой части спектра, — рассказал «Известиям» руководитель проекта старший научный сотрудник института Алексей Гладышев.
Диапазон отпечатка пальцев
Прорывным достижением авторов стала первая в мире генерация лазерного излучения непосредственно в полом световоде, в который не подавался свет от внешних источников. Чтобы достичь этого, его заполнили смесью инертных газов гелия и ксенона, а к концам трубки приставили зеркала, создав, таким образом, оптический резонатор.
Затем световод облучили мощными микроволновыми импульсами с частотой, которая применяется в бытовых СВЧ-печах и модулях Wi-Fi. Это приводило к зажиганию газового разряда, в котором и возникало лазерное излучение.
Авторы взяли коммерчески доступный лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы на длине волны около 1 микрометра (ближний ИК-диапазон), и пропустили это излучение через полый световод длиной 3 м, заполненный обычным и «тяжелым» водородом (дейтерием).
В результате на выходе полого световода получили излучение среднего ИК-диапазона.
Как пояснили ученые, средний ИК-диапазон называют диапазоном «отпечатков пальцев», поскольку по тому, как вещество поглощает эти длины волн, можно, как по этим следам, определить его химический состав. Достигнутые результаты позволят создавать эффективные и компактные лазерные источники высокой мощности, необходимые для неинвазивной биомедицинской диагностики, а также для контроля качества продуктов и фармацевтических препаратов.
— Такие лазеры могут найти разнообразные применения от биомедицинской диагностики до литографии при создании микросхем, — подчеркнул Алексей Гладышев.
Принципиально важное достижение
Лазерная генерация на полых волоконных световодах — принципиально важное достижение российских ученых, отметил заведующий кафедрой физики НИТУ МИСИС Иван Ушаков. На таких устройствах можно существенно увеличить плотность мощности лазерного излучения, что имеет важное практическое значение.
— Результаты работы могут быть использованы для создания мощных и компактных лазеров. Возможная сфера их применения: материаловедение, медицина, оптическая связь и так далее, — отметил специалист.
Открытие может дать новую жизнь газоразрядным лазерам — это новые длины волн и новые мощности излучения, что существенно дополнит и расширит возможности лазерных технологий в микроэлектронике, разнообразной диагностике, экологии и других областях, сказал профессор Института лазерных технологий Университета ИТМО Вадим Вейко.
— Новый класс световодных газоразрядных лазеров может найти широкое применение в медицине, расширив круг лазерных эндоскопических и лапароскопических процедур. Но, конечно, для реализации всех потенциальных возможностей придется преодолеть еще много технических трудностей, например повысить механическую прочность и гибкость таких световодов, — отметил профессор.
Результаты исследований, поддержанных грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в серии из трех статей в Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.
