Российские ученые предложили способ получать световые импульсы необычной формы — прямоугольные, треугольные, трапециевидные. Их применение позволит в сотни раз ускорить обработку и передачу данных в разнообразных оптических устройствах, в том числе квантовых.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review A.

Электромагнитные волны в зависимости от их длины можно разделить на три основных диапазона: инфракрасный, ультрафиолетовый, а также видимый спектр. Генерируемые в этих диапазонах короткие импульсы излучения объединяет одна особенность: все они имеют несущую частоту, принадлежащую к упомянутым диапазонам спектра. На несущей частоте напряженность электрического поля периодически и много раз меняет свое направление в соответствии с гармоническим законом.

Физики из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) предложили, как создать такие световые импульсы, в которых бы не было несущей частоты, и оставить в них только одно колебание, в котором напряженность электрического поля не меняла бы направление. В основе способа лежит использование нелинейной среды с неоднородными характеристиками, которая возбуждается, а затем это возбуждение деактивируется вторым импульсом.

«Мы предложили новый способ получения униполярных импульсов с необычной формой, например прямоугольной или треугольной. Ранее подобная задача считалась нерешаемой или как минимум крайне трудной. Однако, если источники импульсов заданной формы будут созданы, это поможет разработать оптические устройства, способные в сотни и тысячи раз быстрее обрабатывать и передавать информацию, чем используемые сейчас электронные схемы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.

Получение подобных импульсов, длительность которых крайне мала, позволит создать сверхбыстрые оптические аналоги радиоэлектронных схем, способных в сотни и тысячи раз быстрее обрабатывать и передавать информацию. Причина резкого роста информационной емкости импульсов — их униполярность, то есть в импульсе не происходит изменения направления, нет несущей, а значит, резко возрастает ширина полосы частот, которая простирается от нулевого значения до, например, видимой области спектра. Информационная емкость сигнала включает все диапазоны частот от радио- и микроволнового до оптического. Соответственно, имея источник такого излучения, можно лишь с его помощью организовать радиотрансляцию, световое шоу и многое другое.

«Мы также исследовали возбуждение и ионизацию квантовых систем при воздействии предельно короткими и униполярными импульсами света, когда их длительность короче орбитального периода электрона в атоме. Благодаря однонаправленному воздействию такие импульсы способны быстрее и эффективнее возбуждать их по сравнению с обычными биполярными длинными импульсами», — добавляет Николай Розанов, академик РАН, главный научный сотрудник ФТИ им. Иоффе.

При воздействии на микрообъекты униполярных импульсов такой малой длительности традиционные теории становятся неприменимы. В этом случае, как показали результаты проведенных исследований, ведущую роль играет уже электрическая площадь действующего импульса — она определяется как интеграл от напряженности электрического поля по времени в данной точке пространства. Для обычных многоцикловых импульсов, которые получаются в лазерных установках на сегодняшний день, электрическая площадь всегда близка к нулю.

«Для оценки степени эффективности воздействия таких предельно коротких импульсов на различные квантовые системы нами была введена новая физическая величина — «атомная мера площади». Как показали наши исследования, вероятности возбуждения и ионизации атомных систем определяются отношением электрической площади импульса к ее атомной мере, а не энергией импульса или его амплитудой», — добавил Николай Розанов.