Сотрудники Лаборатории численного и экспериментального моделирования новых устройств фотоники НГУ, Института автоматики и электрометрии СО РАН и Института вычислительных технологий СО РАН в своей совместной работе предложили новый способ генерации широкополосного лазерного излучения. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Scientific Reports группы Nature. Подробнее о результатах своего исследования рассказали авторы статьи ― молодые ученые Анастасия Беднякова и Денис Харенко.

 

Рис. 1. (а) Нелинейное смешение в фотонно-кристаллическом световоде двух коротких импульсов с линейной частотной модуляцией. Δst - разница частот между импульсами, δ - расстояние между продольными модами внутри импульсов; (b-c) cпектр сигнала на выходе нелинейного световода в расчёте (b) и эксперименте (с)

Широкополосное лазерное излучение, или излучение с широким спектром частот, следует отличать от излучения обычных ламп накаливания, также излучающих все «цвета» от инфракрасного до фиолетового. Дело в том, что лазерное излучение состоит из дискретного набора частот (частокола), в то время как излучение лампы представляет собой непрерывный (гладкий) спектр. Более того, каждая частота лазерного излучения может быть привязана к другой по фазе, а итоговым результатом сложения всех частот друг с другом является генерация сверхкоротких импульсов, длительность которых обратно пропорциональна ширине спектра. Такая частотная гребёнка и называется «спектральным комбом», а самая близкая аналогия из «реальной жизни» ― это обычная измерительная линейка, где миллиметровые риски являются теми самыми частотами по которым можно производить измерения, только уже не на столе, а в оптическом диапазоне. Чем длиннее линейка и чем чётче на ней нанесены риски (читай, чем лучше частоты связаны друг с другом), тем больше у неё практических применений.

Сделать такую оптическую линейку можно как непосредственно, например, в применением титан-сапфировых лазеров, где ширина комба может достигать одной октавы (800 нм), либо путём увеличения ширины уже имеющегося спектра в высоконелинейной среде, например в оптических волокнах с высокой нелинейностью. Под действием керровской нелинейности происходит образование новых спектральных компонент в сигнале и формирование когерентного комба. Получение подобного широкого когерентного спектра, который принято называть «суперконтинуумом», привело к революционному развитию частотной метрологии.

«Нами предложен качественно новый способ генерации широкополосного излучения, основанный на смешении сдвинутых по частоте когерентных коротких (а именно фемтосекундных) импульсов в высоконелинейном световоде с близкой к нулю дисперсией».

 

«По сути каждый из этих импульсов в частотном представлении является той самой оптической линейкой, но пока «длина» этой линейки не дотягивает до октавы, она мало пригодна для метрологических применений. Особенность наших импульсов в том, что их генерация происходит синхронно в одном волоконном резонаторе. Таким образом, у нас есть две короткие линейки, но жёстко связанные друг с другом (как будто стержнем заданной длины). Мы показали, что в результате их нелинейного смешения в специальном волокне происходит генерация новых спектральных компонент (коротких линеек), образующих спектральный комб коротких импульсов в диапазоне более чем 300 нм, что является значительным шагом вперёд. Преимуществами предложенного метода генерации спектрального комба коротких импульсов (коротких, но жёстко связанных друг с другом оптических линеек) являются высокая стабильность и простота реализации. Помимо своего фундаментального значения, предложенный метод также открывает новые возможности для практических применений, среди которых синтез импульсов предельно короткой длительности, генерация в среднем ИК диапазоне путём генерации разностных частот, когерентная микроскопия и сверх-широкополосная передача данных», ― говорят авторы исследования.

«Полученный результат возник не на пустом месте. В 2014 году нами была опубликована работа в журнале Nature Communications, в которой был предложен лазерный источник, генерирующий связанные короткие импульсы на двух длинах волн. При численном моделировании распространения импульсов в резонаторе данного лазера мы обратили внимание на то, что в спектре сигнала кроме основных импульсов также присутствуют и гармоники на новых длинах волн. Оказалось, что этому явлению существует физическое объяснение, которое и легло в основу нашей дальнейшей работы. Была разработана аналитическая модель, с помощью которой продемонстрирована ключевая роль процесса четырёхволнового смешения (ЧВС). После этого нами были созданы условия для наиболее эффективного протекания этого процесса, и, в итоге, мы получили гребёнку из восьми импульсов, которые являются копиями двух первоначальных импульсов, но в новых частях спектрального континуума (оптической линейки)».

«В наших ближайших планах увеличить энергию импульсов на входе в высоконелинейный световод и использовать фотонно-кристаллические волокна с более плоским дисперсионным профилем вблизи точки нулевой дисперсии, что позволит получить комб сверхкоротких связанных импульсов шириной в октаву и стать на шаг ближе к возможным практическим применениям».

Источники

Продемонстрирована оптическая линейка нового типа
Новосибирский государственный университет (nsu.ru), 09/06/2017
Продемонстрирована оптическая линейка нового типа
Монависта (novosibirsk.monavista.ru), 10/06/2017
Продемонстрирована оптическая линейка нового типа
Институт автоматики и электрометрии (iae.nsk.su), 13/06/2017

Похожие новости

  • 27/04/2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» на МНСК-2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» — такая секция впервые была организована в рамках 55-ой Международной научной студенческой конференции, которая прошла 16-20 апреля в НГУ. Исследования и разработки в направлениях науки и техники, связанных с генерацией и распространением квантов света (фотонов), управлением ими, изучением и использованием их взаимодействия с веществом, бурно развиваются во всем мире, а результаты этих работ быстро выходят на рынок в виде высоковостребованных устройств и технологий - систем сверхбыстрой оптической связи, промышленных лазеров, биомедицинского лазерного оборудования, метрологических и сенсорных устройств, и многих других.
    529
  • 20/06/2017

    Международная выставка «НТИ ЭКСПО» в Новосибирске

    ​​​Уникальная международная выставка достижений технологического развития "НТИ ЭКСПО" пройдет в рамках V Международного форума технологического развития "Технопром-2017" 20-22 июня в Новосибирске при поддержке правительства РФ, коллегии ВПК, Минпромторга России, Минэкономразвития России, МИДа РФ, правительства Новосибирской области.
    381
  • 23/03/2017

    Статья новосибирских физиков вошла в десятку наиболее цитируемых статей престижного журнала «Advances in Optics and Photoniсs».

    Оптическое общество Америки (OSA) регулярно публикует списки наиболее цитируемых работ из своих журналов. Среди журналов OSA наибольший импакт-фактор (более 12) имеет «Advances in Optics and Photoniсs».
    424
  • 16/06/2017

    Новосибирские ученые опубликовали обзорную работу в самом престижном научном журнале в области фотоники

    В июньском номере журнала Nature Photonics – самого престижного в области фотоники – опубликована обзорная работа сотрудников Центра нелинейной фотоники и квантовых технологий НГУ Дмитрия Чуркина (заведующий лабораторией волоконных лазеров, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН) и Сергея Турицына (заведующий лабораторией нелинейной фотоники) совместно с коллегами из США, Франции и Новой Зеландии.
    180
  • 01/09/2016

    Новый тип лазеров: перспективы применения

    Квантовые технологии, современная оптика, изучение лазеров уже много лет являются предметом исследований преподавателей и студентов НГУ. Часть этих исследований ведется в сотрудничестве с ведущими мировыми исследовательскими центрами.
    943
  • 01/12/2016

    Анатолий Шалагин: «Занятие наукой ― это ни с чем несравнимое удовольствие»

    Выпускник НГУ 1965 года Анатолий Михайлович Шалагин ― советский и российский физик, академик РАН, директор Института автоматики и электрометрии СО РАН, заведующий кафедрой квантовой оптики в Новосибирском государственном университете.
    812
  • 01/09/2016

    Сергей Турицин: нам вполне по силам быть среди мировых лидеров

    Фотоника как направление специализации появилось в НГУ относительно недавно - с созданием Лаборатории нелинейной фотоники в 2010 г. в рамках мегагранта Правительства РФ. Возглавил лабораторию выпускник Физического факультета НГУ, профессор Сергей Константинович Турицын, директор Института фотоники Университета Астон (Великобритания), который является международно признанным исследовательским центром в сфере фотонных технологий.
    956
  • 30/03/2017

    Лекторий «От проблем фотоники к реальным технологиям!»

    Лаборатория экспериментальной физики НГУ совместно с Институтом лазерной физики СО РАН и Институтом автоматики и электрометрии СО РАН в рамках САЕ НГУ «Нелинейная фотоника и квантовые технологии» представляет лекторий по интереснейшему направлению, связанному с фотоникой и квантовыми технологиями: «От проблем фотоники к реальным технологиям!»В течение весеннего семестра молодые учёные, занимающиеся исследованиями в передовых направлениях науки и внедрением новейших достижений в технологическую сферу, прочтут цикл лекций.
    381
  • 26/05/2017

    Статья новосибирского ученого о новом типе волоконных лазеров опубликована в журнале Nature Communications

    ​​Заведующий лабораторией волоконных лазеров НГУ, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН Дмитрий Чуркин вместе с коллегами из Университета Астон Марией Сорокиной и Шурикантом Сугаванамом опубликовали работу, посвященную актуальной теме: исследованию спектральных корреляций в случайном волоконном лазере.
    300
  • 26/08/2016

    Ученые СО РАН представили результаты работы на Международной конференции в области высоких энергий

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН приняли участие в 38-й Международной конференции в области физики высоких энергий в Чикаго (ICHEP-2016).
    1155