Для развития технологии импульсных лазеров российские ученые в деталях описали работу волоконного лазера на переходах редкоземельного элемента тулия. Точность модели подтвердилась при создании установки с заданной длительностью импульса около 331,7 фемтосекунды. Теперь, имея возможность предсказать параметры генерируемых импульсов, ученые могут разрабатывать устройства с предельными характеристиками, оптимизируя параметры модели.

Исследования поддержаны Президентской программой Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в Scientific Reports и представлены на конференции Frontiers in Optics 2020.

Лазеры ультракоротких импульсов применяются во многих областях науки, техники и медицины, с их помощью можно получать когерентное излучение в разных спектральных диапазонах — то есть импульсы лазера более короткой длительности открывают возможности для варьирования частоты преобразованного излучения в более широком диапазоне.

Интенсивное развитие лазеров коротких импульсов продолжается уже более двух десятилетий. Для получения принципиально новых результатов необходимо поместить как можно больше энергии в максимально короткий импульс. Очередное поколение лазерных систем использует для генерации излучения ионы редкоземельных металлов, в частности тулий, который относят к иттриевой подгруппе тяжелых лантаноидов.

Авторы обсуждаемой работы развивают технологию создания волоконных тулиевых лазеров, которые излучают короткие импульсы на длине волны порядка 1,9 микрометра. Такие лазеры применяют для генерации когерентного излучения в среднем инфракрасном диапазоне (2–20 мкм).

Здесь находятся характерные линии поглощения большого числа химических соединений, которые также называют «отпечатками пальцев молекул». Используя такой источник, можно определять сверхмалые концентрации различных веществ (токсичных соединений, атмосферных газов, биомаркеров заболеваний и других). Он будет полезен в диагностике заболеваний, экомониторинге, контроле ядовитых веществ на производстве, в научных исследованиях. Объектом анализа может быть любая среда: газ, жидкость, ткани человеческого организма и другие сложные вещества.

В работе над моделью тулиевого лазера. На экране — продольные сечения волокна с проходящим излучением. / Источник: Владимир Лазарев/МГТУ

В настоящий момент перед исследователями стоит задача получить максимально короткие импульсы, достижимые для тулиевых лазеров. Современные лазерные системы имеют большую сложность, и в таком поиске простой перебор параметров не позволяет добиться желаемого результата. Цель достижима только при наличии полной математической модели.

Теория распространения ультракоротких импульсов в волоконных световодах хорошо известна, однако полному описанию тулиевого лазера в научной литературе уделено недостаточно внимания. Ученые из МГТУ имени Н. Э. Баумана представили разработанную ими детальную математическую модель, описывающую поведение излучения в их лазерном устройстве.

При сравнении с опытными данными модель продемонстрировала хорошую точность. К примеру, в эксперименте была получена генерация с импульсами в 331,7 фемтосекунды. В этом случае погрешность предсказанной длительности составила 5,4%, ширины спектра — 4,7%, а энергии — 22,9%.

Величина погрешности модели и пути ее уменьшения также подробно обсуждаются в статье. Работа ученых по получению более коротких импульсов продолжается, новые результаты планируется представить в этом году на конференции CLEO Europe.

В работе участвовали: Институт фотонных технологий Астонского университета (Великобритания), Научно-образовательный центр «Фотоника и ИК-техника» МГТУ имени Н. Э. Баумана (Москва), Научный центр волоконной оптики имени Е. М. Дианова РАН (Москва).