​Российские физики разработали метод радикального сужения спектра излучения обычных диодных лазеров, известных по лазерным указкам.

Это позволит использовать их вместо дорогих и сложных одночастотных лазерных устройств, а также для создания компактных химических анализаторов, которые можно уместить в смартфон, дешевых лидаров, систем охраны и мониторинга состояния сооружений, например, газопроводов и мостов, и многих других областей. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Photonics. Работа была поддержана Российским научным фондом.

Одна из самых важных областей применения лазеров — спектроскопия, то есть высокоточные измерения химического состава объектов. Главную роль в ней играют так называемые оптические гребенки — лазерные устройства, генерирующие оптическое излучение с миллионом крайне стабильных частот. В активной среде лазера излучение «билось» между зеркалами, а наружу выходила «очередь» фемтосекундных импульсов света, спектр которой похож на расческу, то есть представляет собой множество узких спектральных линий, разделенных одинаковыми промежутками, которые соответствуют частоте повторения импульсов. С помощью излучения с такими свойствами можно с высокой точностью измерять оптические частоты, то есть проводить прецизионные спектроскопические измерения. Лазерные частотные гребенки можно также использовать для систем спутниковой навигации, для технологий передачи данных о точном времени, и даже в астрофизике — для поиска экзопланет методом лучевых скоростей.

Впоследствии оказалось, что еще проще генерировать такие гребенки с помощью микрорезонаторов - колец или дисков из прозрачных материалов, в которых излучение лазера из-за нелинейности материала превращается в частотную гребенку. Однако на роль источника для создания оптических гребенок подходит не любой лазер. Во-первых, он должен быть достаточно мощным, а во-вторых, достаточно монохроматичным, то есть его излучение должно располагаться в очень узкой полосе частот. Сегодня самые распространенные и самые дешевые лазеры - диодные. Однако компактные и удобные лазерные диоды сильно проигрывают в сфере спектроскопии более дорогим и сложным устройствам - как раз за счет недостаточной монохроматичности. Излучение таких лазеров "размазано" по полосе в десяток нанометров.

"Для того чтобы сузить линию диодного лазера, его стабилизируют либо внешним резонатором, либо дифракционной решеткой. Это позволяет сузить полосу, но за это приходится расплачиваться сильным снижением мощности, и о низкой цене и компактности тоже можно забыть", - говорит ведущий автор исследования, научный директор РКЦ и профессор МГУ имени М.В. Ломоносова Михаил Городецкий.

Он и его коллеги нашли простое и элегантное решение проблемы: они заставили превращать свет лазера в более монохроматический те же самые микрорезонаторы, которые генерируют оптические гребенки. Так получилось достичь сразу двух целей: мощность лазера остается практически той же, размеры меняются мало, потому что размер микрорезонатора составляет миллиметры, а свет почти в миллиард раз более монохроматичный - полоса пропускания сужается до аттометров, а заодно при желании можно сразу получить оптическую гребенку.

"В этой работе два главных результата: она показывает, что можно создать дешевый лазер с узкой линией, одночастотный, но при этом очень энергоэффективный и компактный, и вторая - что этот же лазер практически без изменений можно использовать для генерации оптических гребенок, то есть в качестве основного компонента спектроскопических химических анализаторов", - поясняет Городецкий.

Предложенную схему можно использовать во многих областях, например, в сфере телекоммуникаций она позволят значительно увеличить пропускную способность оптоволоконных сетей за счет увеличения числа каналов. Второе направление - различные сенсоры, например, рефлектометры, на базе которых создаются системы мониторинга и охраны. Например, достаточно уложить вдоль моста или нефтепровода оптоволоконный кабель и излучение лазера внутри него будет реагировать на малейшие колебания или изменения геометрии объекта, точно указывая на место нарушения.

Одночастотные лазеры можно будет использовать в оптических радарах - лидарах, которые сегодня устанавливают, например, на беспилотные автомобили. Наконец, на их базе можно создавать высокоточные анализаторы, например, устройства для анализа состава воздуха или медицинской диагностики, которые можно встраивать в смартфоны или в часы.

Похожие новости

  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    528
  • 25/09/2018

    Команда ученых МИФИ победила в конкурсе РНФ «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых»

    ​Команда ученых из МИФИ в рамках грантового проекта, одержавшего победу в конкурсе Российского научного фонда по мероприятию "Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых" планирует достичь эффективности на квантовых точках на основе плазмонов благородных металлов.
    229
  • 15/01/2018

    Российские ученые предложили новый материал для ядерных реакторов

    ​Ученые Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" изучили возможность применения изотопомодифицированного молибдена в качестве альтернативы циркониевым сплавам, из которых изготавливаются тепловыделяющие элементы, и доказали, что таким образом можно повысить безопасность ядерных реакторов.
    486
  • 05/09/2017

    Терагерцовый лазер помог изучить нагревание кристаллов

    ​Ученые исследовали тепловые и световые искажения в кристалле при его взаимодействии с высокочастотным терагерцовым излучением. В результате было установлено, как в кристалле изменяется температура. Работа опубликована в журнале Laser Physics Letters.
    615
  • 12/05/2016

    Российские физики смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах

    ​Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах, на основе которых можно создать компактные и высокочувствительные датчики.
    1160
  • 16/01/2018

    Российские физики обнаружили у жидких кристаллов эффект памяти

    ​Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с российскими и зарубежными коллегами обнаружили эффект памяти в жидких кристаллах под действием сильных электрических полей. Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.
    808
  • 28/09/2018

    Физики обнаружили новый механизм генерации звука в жидкой комплексной плазме

    ​Физики из МГТУ имени Н.Э. Баумана совместно с российскими и зарубежными коллегами впервые исследовали термоакустическую неустойчивость, приводящую к генерации звука в жидкой комплексной плазме. Результаты показывают, что это новая неустойчивость в комплексной плазме, и аналогичные неустойчивости могут существовать во многих открытых и химически реактивных системах.
    172
  • 23/11/2017

    Сибирские ученые модернизировали метод расчета движения жидкостей

    ​Исследователи из Сибирского федерального университета (СФУ) в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета и Сибирского отделения РАН предложили использовать для гидродинамических расчетов систему из нескольких графических процессоров вместо центрального.
    560
  • 15/12/2017

    Российские ученые исследовали взаимодействия одиночных импульсов

    ​Российские ученые изучили поведение одиночных импульсов волн - однократных возмущений, распространяющихся в пространстве или в среде, - при их столкновении в нелинейных средах. Результаты работы ученых из России и Швеции опубликованы в журнале Nonlinear Dynamics.
    723
  • 13/12/2017

    Российский физик нашел новый способ запустить термоядерную реакцию

    Физик из МГУ и Института прикладной математики РАН доказал, что термоядерную реакцию можно запустить, используя уже существующие ускорители плазмы и магнитные ловушки, что может ускорить создание чистых источников энергии, говорится в статье, опубликованной в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.
    787