Поиск - новости науки и техники

Уравнение с двумя микронами. Нижегородские физики разрабатывают многообещающую лазерную систему.

Лазеры уверенно проникают во все сферы нашей жизни. Становясь все более совершенными, они помогают решать задачи, которые раньше казались невозможными. Заведующий лабораторией экстремальной нелинейной оптики Аркадий КИМ (на снимке) из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) занимается разработкой “мощной полностью волоконной лазерной системы для генерации фемтосекундного излучения в двухмикронном диапазоне”. С помощью ученого корреспондент “Поиска” проник в сложную кухню квантовых генераторов и попытался разобраться в тонкостях исследования, которое ведет под его руководством группа сотрудников лаборатории.

– Изучением распространения достаточно интенсивных световых импульсов фемтосекундной длительности (1 фемтосекунда равна 10-15 секунды) в оптических волокнах мы начали заниматься примерно 10 лет назад, – рассказывает Аркадий Валентинович. – Отправной точкой для нас стала эрбиевая волоконная лазерная система, генерирующая излучение на длине волны около 1,5 микрона. Это так называемый телекоммуникационный диапазон, поэтому система построена на хорошо разработанных соответствующей индустрией компонентах.
Волоконные лазерные системы по сравнению со своими твердотельными аналогами имеют ряд неоспоримых преимуществ: они компактны, надежны, просты в управлении и к тому же более дешевые. Такой набор качеств делает их привлекательными для практического применения. Наша идея состояла в том, чтобы использовать нелинейные свойства оптических волокон (в первую очередь, нашедших широкое применение – кварцевых) для их “продвижения” в новые спектральные диапазоны и формирования коротких импульсов, вплоть до содержащих малое число оптических колебаний поля. Нам удалось построить волоконную лазерную систему, генерирующую оптические импульсы длительностью 12 фемтосекунд на длине волны 1,75 микрона. Они содержали всего около двух периодов колебаний поля. Но наши планы, конечно, шире – освоить большую часть инфракрасного спектра: от длин волн менее 1 микрона до среднего инфракрасного, 3-8 микрон. Мы предложили проект, предусматривающий освоение нового для нас диапазона, который выиграл конкурс Регионального общественного Фонда содействия отечественной науке. С этой работой мы связываем определенные надежды на нашу “экспансию” в перспективной сфере.
В чем суть проблемы? С помощью кварцевых волокон можно легко перестроить входное фемтосекундное излучение, изменив его спектральный диапазон с полутора на 1,8-2,05 микрона. В настоящее время во всем мире активно используют кварцевые волокна, обогащенные редкоземельными ионами туллия и гольмия, которые в данном диапазоне становятся усилительными средами. Стремительный прогресс в этой области связан как с созданием технологий, благодаря которым можно получать волокна с необходимыми свойствами, так и с заметными успехами в разработке миниатюрных диодных лазеров. Такие квантовые генераторы используют в качестве накачек для активных волокон, что открывает огромные потенциальные возможности волоконных лазерных систем данного диапазона.
Широкая полоса усиления от 1,8 до 2,05 микрона (около 250 нм), которая в будущем, скорее всего, поможет создать новый диапазон для оптической коммуникации в дополнение к существующему телекоммуникационному (примерно 1,5-1,6 микрона), видимо, приближающемуся к своему пределу. Мощная перестраиваемая лазерная система волоконного типа, несомненно, играет важную роль как исследовательский инструмент, открывающий перспективы для широкого применения в индустрии. Длины волн многих молекул составляют около 2 микрон. Лазер, имеющий такое излучение, можно использовать при мониторинге воздушной оболочки планеты. Диапазон
2 микрона прозрачен для лучей, распространяющихся в земной атмосфере. Он не оказывает вредного влияния на зрение, поэтому может быть эффективен для оптической коммуникации в свободном пространстве. В настоящее время подобные лазеры благодаря высокой средней мощности стали применяться также в медицине и для обработки материалов.
Мощное двухмикронное лазерное излучение может стать “стартовой площадкой” для широкого применения среднего инфракрасного (ИК) диапазона 2-8 микрон, пока еще мало освоенного из-за отсутствия подходящих лазерных источников, работающих в этом участке спектра. При использовании новых типов волокон (халькогенидных, теллуридных, германосиликатных) мощное фемтосекундное излучение можно достаточно эффективно преобразовать с помощью механизма генерации суперконтинуума в средний ИК-диапазон. Это позволит построить новые источники света в данном диапазоне.
– В чем главные проблемы направления, которым вы занимаетесь? Каких успехов достигли в этой области?
– Конечно, все хотят получить лазерное излучение с высокой средней мощностью и максимальной пиковой интенсивностью. И при этом чтобы система была простая, что особенно важно для практических приложений. Эти требования трудно осуществить одновременно, поэтому приходится чем-то жертвовать исходя из поставленных задач. Наши основные усилия направлены на изучение возможности построения лазерной системы в полностью “волоконном формате” для генерации широкоперестраиваемых фемтосекундных импульсов высокой мощности. Такое оборудование мы планируем использовать в дальнейшем в качестве физического инструмента для решения определенных научных задач лазерной физики. Но оно может найти и более широкое применение, в том числе в практических целях.
Основные проблемы, с которыми мы сталкиваемся, чтобы достичь высоких для волоконных систем энергий и пиковых мощностей, связаны с паразитными нелинейными эффектами в световодах. При высоких интенсивностях лазерного излучения эти эффекты сильно ограничивают предельные возможности установок. Мы стараемся проводить глубокую оптимизацию оборудования, в том числе с использованием численного моделирования. Одна из характерных и привлекательных особенностей волоконных лазерных систем в том, что можно использовать предварительное компьютерное моделирование с последующим построением более совершенной системы.
Следует отметить, что в мире похожие исследования проводят широко и весьма активно. Причина, как я уже говорил, в важных технологических достижениях и открывающихся потенциальных возможностях этого направления. Есть даже коммерческие предложения по волоконным туллиевым фемтосекундным системам, в частности, их можно увидеть на сайте фирмы IPG Photonics, одно из подразделений которой находится во Фрязине Московской области.
– Расскажите о ваших результатах. Удалось сделать что-то значительное?
– В отличие от специалистов, занимающихся коммерческими разработками, ориентированными на широкий спектр задач, мы изучаем фундаментальные процессы, которые позволят достигнуть рекордных или экстремальных параметров световых импульсов. Нам удалось построить оптимизированную, полностью волоконную лазерную систему, благодаря которой получены широкоперестраиваемые лазерные импульсы – вплоть до 3 микрон, с длительностью чуть более 100 фемтосекунд. Не исключено, что эти результаты близки к рекордным или даже рекордные. И в этом смысле наши исследования, скорее всего, не уступают мировым.
– В это, наверное, внес вклад каждый из ваших сотрудников?
– Безусловно. Без усилий всего коллектива ничего не удалось бы достичь. Я по своей натуре – больше физик-теоретик, поэтому ставлю концептуальные задачи для экспериментальной группы, выбираю направления исследований.
Отмечу Сергея Муравьева, его можно считать инициатором волоконной деятельности в институте, молодых кандидатов наук Алексея Андрианова и Елену Анашкину, аспиранта Максима Коптева. Молодежь занимается и экспериментальными работами, и математическим моделированием физических процессов, и численными расчетами параметров установок. Уже имеют достижения, получившие заслуженную оценку. Андрианов отмечен золотой медалью РАН за лучшую студенческую работу, выполненную по нелинейной волоконной оптике, Анашкина – обладатель стипендии Президента России для молодых ученых. Коптев, несмотря на начальный этап научной карьеры, выиграл грант РФФИ – для продолжения исследований, заложенных в его дипломной работе по двухмикронному волоконному лазеру.
– Что можно сказать о прикладной стороне ваших исследований?
– Потенциал в этом отношении у них огромный. Все практические возможности волоконных лазерных систем, о которых я упоминал, можно “спроецировать” и на наши исследования. Шаг от фундаментальных разработок до коммерческих – гигантский. Для их реализации нужно не просто много сделать. Необходимы благоприятные “инфраструктурные обстоятельства” или хотя бы ощущение принципиальной реализуемости разработок, их востребованности. Я думаю, это придет со временем. К слову, разработанный нами прибор (такой, как на снимке), фемтосекундная волоконная лазерная система на длине волны 1 микрон, был поставлен в один из английских университетов для изучения нелинейных свойств и модификации халькогенидных стекол.
– Чего ожидаете от будущего?
– Говорить об этом сейчас сложно. Слишком все быстро стало меняться в последнее время, не всегда в лучшую сторону. Как обычно, желательно, чтобы финансирование увеличилось в разы. А если говорить о более реальных вещах, то хотелось бы реализовать свои задумки по освоению среднего инфракрасного диапазона с помощью волоконных систем и построить мощную фемтосекундную лазерную систему.

Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото из архива
лаборатории

Нет комментариев