Каких только нет лазеров! Казалось бы, использованы все возможности их применения. Однако это не совсем так. Пытливые ученые продолжают раскрывать потенциал этих удивительных устройств. Свою лепту в лазерный “арсенал” вносит сотрудник Научного центра волоконной оптики РАН Светлана Алешкина. Она работает над созданием полностью волоконных лазеров высокой энергии для ближнего ИК-диапазона. Наш корреспондент побеседовал с ней.
— Светлана Сергеевна, напомните, что представляют собой волоконные лазеры? Для чего они нужны?
— Стремительное развитие физики волоконных лазеров началось после появления узкополосных полупроводниковых источников накачки, то есть около 20 лет назад. И к сегодняшнему дню волоконные квантовые генераторы не только определили новую сферу исследований, но и нашли широкое применение в важных отраслях жизни и деятельности человека.
Рабочей средой для волоконных лазеров служит световод, который представляет собой тонкую нитеобразную структуру диаметром чуть более 100 микрон. Сигнал в виде излучения передается по сердцевине — центральной области, слаболегированной химическими элементами, которые позволяют создать разность показателей преломления сердцевины и оболочки. Свет распространяется благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Резонатором лазера служит монолитная конструкция — это совокупность пассивных и активных волоконных компонентов, выходные концы которых в случае полностью волоконных схем жестко соединены друг с другом с помощью сварки.
Неоспоримое преимущество таких лазерных систем — высокая надежность: в полностью волоконных схемах отсутствуют элементы, нуждающиеся в юстировке. А также компактность: световоды можно намотать на катушку, диаметр которой может составлять всего несколько сантиметров. Следствие такой особенности — портативность. Кроме того, оригинальная конструкция позволяет решать еще одну проблему: несмотря на отсутствие дополнительного внешнего охлаждения, отвод тепла от активных элементов схемы происходит самопроизвольно вследствие большой распределенной площади поверхности. Благодаря низким порогам генерации и высокой эффективности волоконных лазеров можно получать излучение на активных элементах, для которых вынужденные лазерные переходы в объемных образцах (кристаллах и стеклах) невозможны или затруднительны.
Волоконные световоды представляют собой уникальную нелинейную среду и поэтому открывают новые перспективы в области нелинейной оптики. Например, практическое применение нашло использование в волоконной оптике эффекта рамановского рассеяния для получения генерации на длинах волн, на которых нет прямых источников лазерного излучения. Также использование волоконных световодов в качестве нелинейной среды позволило создать широкополосный источник лазерного излучения, длина волны которого изменяется от ультрафиолетового до инфракрасного (вплоть до 2,5 микрона).
Но в некоторых случаях создание полностью волоконных схем невозможно. В основном это связано с отсутствием световодов с необходимыми физическими свойствами и параметрами. Поэтому в схему лазера внедряются объемные элементы (например, дифракционные решетки, призмы), но они влияют на целостность всей системы, а следовательно, ухудшают ее надежность и компактность. В первую очередь, эта проблема касается лазеров ультракороткой длительности. И наша задача — разработать специальные световоды, которые позволили бы создавать полностью волоконные схемы лазеров с необходимыми характеристиками выходного излучения.
— Что означает понятие “лазеры ультракороткой длительности”?
— Это лазеры, длительность импульсов которых от нескольких десятков фемтосекунд до десятков пикосекунд. Уникальная особенность таких систем в том, что излучение воздействует на объект в течение предельно короткого промежутка времени, из-за чего не происходит пагубного нагревания прилегающих к зоне воздействия областей объекта. В то же время экстремально сильное влияние на объект позволяет достигать порога самых слабых нелинейных эффектов или даже локального разрушения материала. То есть с помощью лазеров ультракороткой длительности с высокой энергией в импульсе можно проводить локальные манипуляции над объектом в чрезвычайно ограниченной области размером с “пятно” лазерного пучка (около 1 микрона).
— Где применяются такие устройства? Какие у них преимущества?
— Разработанные модели волоконных, так же как и твердотельных, лазеров ультракоротких импульсов уже внедрены в современное производство. Скажем, подобные источники применяются в такой отрасли промышленности, как обработка материалов. Предельная точность выполняемых работ, а также невысокая стоимость лазеров такого типа стали главными критериями при выборе способа обработки изделий из стекла, полупроводников, керамики. Наиболее яркий пример их применения — придание формы touch-screen экранам для современных устройств мобильной связи и планшетных компьютеров. По мнению представителей ведущих компаний в области волоконной оптики, в ближайшие несколько лет ожидается высокая востребованность волоконных лазеров ультракороткой длительности именно в этой отрасли.
Другое направление применения — прецизионная обработка материала тканевых клеток живых организмов. Особое внимание уделяется офтальмологии, которая требует наибольшей точности выполняемых работ. Фемтосекундные лазеры высокой энергии нашли применение в самом современном офтальмологическом оборудовании. В частности, высокоэнергичное излучение на длине волны порядка
1 микрона используется для устранения роговичной ткани при операциях по коррекции зрения. Высокая интенсивность воздействующего луча в точке его фокусировки способствует нелинейному поглощению энергии, что создает хорошие режущие свойства. Излучение с длиной волны в 1 мкм имеет превосходные коагуляционные свойства, а крайне короткая длительность импульса позволяет проводить фоторазрушение локально, без нагревания соседних тканей.
Благодаря использованию интенсивных ультракоротких импульсов в области микроскопии стало возможным наблюдение in vivo морфологии и физиологии клеток живого организма, расположенных на глубине в несколько сотен микрон. Сегодня ключевым элементом систем визуализации служат фемтосекундные титан-сапфировые лазеры, которые позволяют проводить мониторинг клеток на расстоянии около 700 микрон. Увеличить глубину проникновения можно с помощью фемтосекундных лазеров с длиной волны генерации более 1,55 микрона. Наиболее оптимально для визуализации живых тканевых клеток (с точки зрения наименьшего рассеяния и поглощения клетками организма) излучение с длиной волны 1,7 микрона, которое можно получить, используя рамановский сдвиг частоты именно в волоконных структурах.
— Что уже сделано в этой области? В чем особенность вашего подхода к решению проблемы?
— В мире активно ведутся работы по созданию полностью волоконных лазеров фемтосекундной длительности. Уже существует множество различных типов волоконных световодов, а также схем генерации высокоэнергетичного лазерного излучения. Тем не менее до сих пор не найдено оптимального решения проблемы. В коммерческих системах активно используются гибридные схемы лазеров, содержащие объемные элементы. В лабораторных условиях в полностью волоконных системах достигнутые энергии более чем на порядок меньше той, что необходима для практических применений.
Уникальность работ, которые проводятся в Научном центре волоконной оптики, состоит в том, что они позволяют не только разрабатывать новые схемы лазеров, но и создавать для них волоконные световоды практически с любым профилем показателя преломления и распределением легирующих добавок по радиусу световода. Для решения задачи мы используем численное моделирование, апробируем новые методики изготовления заготовок, отрабатываем различные режимы вытяжки, проводим комплексный анализ свойств световодов. Сплоченная работа коллектива научных сотрудников, начиная от технологов из Института химии высокочистых веществ РАН и заканчивая теми, кто непосредственно реализует схемы лазеров, позволяет четко контролировать качество выполнения каждого этапа проекта.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено С.Алешкиной
Нет комментариев