Солитоны-клоны повысят мощность лазеров

Сибирские физики сумели создать из рассеянной энергии солитона в лазерном излучении систему связанных солитонов с большой суммарной энергией.

С солитонами физики знакомы давно, уже почти 200 лет. Так называют устойчивые одиночные или, как говорят физики, уединённые волны в различных средах, распространяющиеся без значительного изменения формы и длительности на большое расстояние. Наиболее известный представитель солитонов – цунами. В лазере также можно реализовать устойчивые солитоноподобные оптические импульсы. Существование солитонов принципиально связано с так называемой нелинейностью, когда мощная волна при распространении в среде меняет ее свойства. В линейной физике волны не влияют на свойства среды распространения.

Диссипативный солитон существует благодаря балансу притока и оттока энергии в среде, в которой возможно рассеяние (диссипация) энергии. Приток энергии связан с накачкой лазера, а отток – с процессами ее диссипации. В этом случае устойчивый импульс света может быть растянут по времени по сравнению с обычным солитоном и соответственно иметь больше энергии. Работа лазеров в режиме генерации диссипативных солитонов – один из самых передовых способов получения высокой энергии фемтосекундных лазерных импульсов. Наиболее подходят для этого волоконные лазеры, резонаторы которых формируются из оптического волокна – световода. Энергия импульсов в них растёт с увеличением длины световода, но ограничивается рассеянием света на молекулах среды (рамановское или комбинационное рассеяние света). Это рассеяние разрушает солитон, превращая его в шумовые колебания и не позволяя увеличивать энергию лазера.

Коллектив физиков из Новосибирска под руководством члена-корреспондента РАН Сергея Бабина решил важную задачу – сумел восстановить солитон из этих шумовых колебаний. Однако комбинационное рассеяние света изменяет частоту излучения, поэтому возрожденный солитон имеет иной цвет, чем исходный. Новый солитон также разрушается и может быть аналогично возрожден. По словам одного из авторов работы Александра Аполонского, в настоящее время работающего в Германии, это можно назвать клонированием исходного солитона. Эти три разноцветных солитона благодаря нелинейности образуют взаимосвязанную систему, в которой запасена суммарная энергия света примерно в три раза выше, чем в исходном солитоне. Соответственно возрастает энергия и выходного импульса, получаемого сложением всех солитонов. При этом он будет иметь более широкий спектр (полосу частот).

Все это имеет многочисленные перспективные практические применения: создание более мощных лазеров и усилителей, передача энергии и информации, в том числе в сфере телекоммуникации, применение в спектроскопии и многофотонной флуоресцентной микроскопии и т.д.

При выполнении исследования авторы строили лазер из стандартных блоков наподобие конструктора Лего, организуя все новые и новые вспомогательные резонаторы, рождающие излучения в новых спектральных областях и обеспечивающие взаимодействие световых импульсов разных цветов по заданным правилам. Такая технология сборки сама по себе потенциально может дать новый толчок лазерной физике. Как заметил Александр Аполонский: «Пока трудно сказать, какой из результатов более важен. Время покажет».

Исследование выполнено в Новосибирске учеными Института вычислительных технологий СО РАН, Института автоматики и электрометрии СО РАН и Новосибирского государственного университета. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications. 

По материалам Новосибирского государственного университета.