Впечатляющий научный прорыв осуществили исследователи, объединяющие усилия Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана, Института общей физики имени А.П. Прохорова РАН и Харбинского политехнического университета. Совместная команда под руководством одного из ведущих специалистов, Станислава Сазонкина, представила инновационную технологию формирования мощных связанных световых импульсов — солитонных молекул. Эта работа была поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ) и создает фундамент для дальнейшего развития передовых оптических систем, квантовых вычислений и медицинских лазерных технологий.
Солитонные молекулы — основа для суперконтинуума
Солитонные молекулы представляют собой устойчивые группы ультракоротких световых импульсов, которые распространяются совместно, сохраняя между собой определённое расстояние. За последнее десятилетие учёные научились создавать и управлять такими структурами, точно регулируя количество и параметры входящих в них импульсов. Это открыло возможность создания компактных лазерных источников сверхширокого спектра — суперконтинуума — с уникальной гребенчатой структурой. Такой тип излучения находит применение в спектроскопии, квантовой оптике, интерферометрии, а также устройствах, требующих высокоточных измерений: например, оптических часах нового поколения и медицинских приборах.
Преодоление ограничений классических волоконных лазеров
Ранее получение суперконтинуума часто было связано с использованием дорогостоящих и сложных систем на базе высоконелинейных волокон. В таких устройствах происходил распад мощных световых импульсов на множество слабых, что приводило к потере когерентности и ухудшению качества излучения. Необходимость сохранить синхронизацию волн и высокую мощность оставалась главной технологической задачей.
Прорыв: усиление связанных световых импульсов без сложных компонентов
Команда специалистов из России и Китая предложила оригинальное решение: использовать эрбиевый волоконный лазер специальной конструкции, позволяющий напрямую формировать и усиливать солитонные молекулы. Экспериментально удалось стабильно генерировать группы из трёх до десяти ультракоротких импульсов. Каждый импульс длился всего 509 фемтосекунд — это меньше одной квадриллионной доли секунды, а расстояние между ними составляло 2,64 пикосекунды (в триллионных долях секунды).
Такой подход позволил достичь излучения в диапазоне от 1400 до 1700 нанометров. При этом стабильность и когерентность сигнала оставались на высочайшем уровне — связь между импульсами сохранялась, а структура не разрушалась даже при значительном увеличении мощности. Немаловажно, что таких результатов удалось добиться без добавления традиционно используемых дорогих и сложных нелинейных волокон. Мощность полученного излучения достигла 152 милливатта — это в три раза больше по сравнению с предыдущими мировыми аналогами.
Потенциал для медицины, науки и квантовых технологий
Расширение возможностей лазерных систем на базе солитонных молекул открывает новые перспективы сразу в нескольких научных и прикладных направлениях. В медицинской сфере лазеры такого типа могут существенно повысить качество томографических изображений, способствуя более точной диагностике и максимально деликатным хирургическим вмешательствам. Сверхяркие, короткие импульсы необходимы в микрохирургии и неразрушающем анализе тканей.
В области фундаментальных исследований и квантовых технологий такие источники позволят упростить создание квантовых состояний света, повысить точность передачи информации, а также развить новые способы квантовых вычислений. Технология очень перспективна для построения сверхстабильных оптических часов, а также для реализации сложных спектроскопических и интерферометрических экспериментов, где важны как абсолютная мощность, так и когерентность света.
Дальнейшие планы и амбиции команды
«Технология генерации и усиления солитонных молекул в эрбиевых волоконных лазерах создает прочную основу для внедрения в практику перспективных решений для медицины, оптики и квантовых вычислений, — отмечает Станислав Сазонкин, ведущий участник проекта, поддержанного Российским научным фондом. — В будущем мы намерены развивать направление и на базе наших результатов создавать специализированные источники мощных ультракоротких импульсов. Новый подход не только позволяет получать качественный и стабильный суперконтинуум, но и открывает дорогу к лазерным платформам с повышенной средней мощностью — это существенно расширяет практическое применение инновации».
Значимость открытия подтверждает не только рост характеристик лазеров, но и то, что теперь сложные оптические устройства становятся доступнее, эффективнее и проще в эксплуатации. В сотрудничестве с ведущими российскими и зарубежными университетами специалисты намерены вывести на новый уровень развитие лазерных и световых технологий, способных изменить нашу жизнь к лучшему.
Источник: indicator.ru
