Физики из Российского квантового центра, МФТИ, физфака МГУ и московского исследовательского центра компании Samsung разработали метод радикального сужения спектра излучения обычных диодных лазеров (известных по лазерным указкам), что позволяет использовать их вместо дорогих и сложных одночастотных лазерных устройств.

Это открывает возможности 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 применений. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Photonics.

«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», – говорит ведущий автор исследования, научный директор РКЦ и профессор МГУ Михаил Городецкий.

Лазеры сегодня используют для множества вещей: у всех на слуху лазерная коррекция зрения и лазерные прицелы, часто вспоминают про роль лазеров в передаче данных. Одно из самых важных применений лазеров – спектроскопия, высокоточные измерения химического состава чего угодно. Главную роль в этой технологии играют так называемые оптические гребенки, которые впервые получили Теодор Хэнш из Германии и Джон Холл из США, за что в 2005 году им была присуждена Нобелевская премия.

Они разработали лазерное устройство, генерирующее оптическое излучение с миллионом крайне стабильных частот. В активной среде лазера излучение «билось» между зеркалами, а наружу выходила «очередь» фемтосекундных импульсов света, которая имеет спектр в виде «гребенки», то есть множества узких спектральных линий, разделенных одинаковыми промежутками, соответствующими частоте повторения импульсов. С помощью этой лазерной «линейки» можно с высокой точностью измерять оптические частоты, то есть проводить очень точные спектроскопические измерения. Лазерные частотные гребенки можно также использовать для систем спутниковой навигации, для технологий передачи данных о точном времени, в астрофизике – для поиска экзопланет методом лучевых скоростей.

Оказалось, что еще проще генерировать такие гребенки можно с помощью микрорезонаторов, «колец» или дисков из прозрачных материалов, где излучение лазера накачки из-за нелинейности материала превращается в частотную гребенку (для простоты микрогребенку).

«Оптические микрорезонатры с модами шепчущей галереи впервые были предложены на физическом факультете МГУ в 1989 году. Они уникально сочетают в себе субмиллиметровый размер с гигантской добротностью. Микрорезонаторы открывают путь к генерации оптической гребёнки в компактном варианте с низким потреблением энергии», – поясняет соавтор исследований, аспирант МФТИ, Николай Павлов.

На роль накачки оптических гребенок в микрорезонаторе подходит не любой лазер. Он должен быть, с одной стороны, достаточно мощным, а с другой, достаточно монохроматичным, то есть его излучение должно располагаться в очень узкой полосе частот. Сегодня самые распространённые и самые дешевые лазеры – диодные. Однако компактные и удобные лазерные диоды сильно проигрывают в сфере спектроскопии более дорогим и сложным устройствам – как раз за счёт 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», – объясняет 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 убить сразу двух зайцев: мощность лазера остаётся практически той же, размеры меняются мало — размер микрорезонатора составляет миллиметры, а свет почти в миллиард раз более монохроматичный – полоса пропускания сужается до аттометров, а заодно, если хотим, мы тут же получаем и оптическую гребенку.

«В настоящее время компактные и недорогие диодные лазеры покрывают практически весь оптический спектр. Однако, их естественная ширина линии и стабильность недостаточны для многих перспективных задач. В данной работе мы показали, что можно эффективно сузить широкий спектр мощных многочастотных диодных лазеров в одну узкую линию – практически без потери мощности. Данная методика основана на использовании микрорезонатора в качестве внешнего резонатора для стабилизации частоты лазерного диода. В дополнение к сужению линии, в данной системе микрорезонатор параллельно является источником оптической гребенки», – рассказывает Николай Павлов.

У предложенной схемы множество возможных применений, 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.

«Спрос на такие лазеры будет очень высоким», – говорит Городецкий.

Он особо подчеркнул, что все авторы статьи – российские ученые, и это достаточно редкий случай, когда в журнале такого высокого уровня появляется чисто российская статья.

Работа была поддержана Российским научным фондом.