Ученые впервые в мире сгенерировали лазерное излучение в полых световодах

Ученые нашли способ генерировать лазерное излучение в полых световодах — тонких «трубках» из кварцевого стекла с отражающей микроструктурой. Для этого с помощью мощного микроволнового излучения авторы зажгли в полом световоде газовый разряд, создающий лазерное излучение. Такой подход позволит в тысячи раз увеличить выходную мощность существующих волоконных лазеров. Кроме того, исследователи показали, что полые световоды могут эффективно преобразовывать лазерное излучение из ближнего инфракрасного диапазона в средний инфракрасный, удобный для анализа химического состава веществ. Результаты исследований, поддержанных грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в серии из трех статей в Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.

Оптическое волокно или световод — это тонкая стеклянная нить, по которой можно передавать свет. При этом свет распространяется практически без потерь вдоль сердцевины световода — его центральной части, — благодаря многократным отражениям от окружающей ее стеклянной оболочки. Мы постоянно сталкиваемся со световодами, когда, например, пользуемся Интернетом, так как световоды лежат в основе оптических линий связи, объединяющих континенты в единое информационное пространство. Кроме того, световоды незаменимы в медицине, например в составе волоконных эндоскопов для диагностики заболеваний, а также широко применяются при высокоточной резке и сварке материалов с помощью волоконных лазеров.

Однако в световодах, используемых на практике сегодня, сердцевина состоит из кварцевого стекла, через которое можно пропустить только видимый и ближний инфракрасный (ИК) свет, а на остальных длинах волн, в частности в среднем ИК диапазоне, такие световоды абсолютно неприменимы. Кроме того, сердцевина из кварцевого стекла ограничивает максимальную интенсивность света, которую можно передавать по световоду без его повреждения. Преодолеть эти ограничения могут помочь полые световоды, которые активно разрабатываются и изучаются в ведущих лабораториях мира. Несмотря на то, что отражающая микроструктурированная оболочка полых световодов все так же состоит из кварцевого стекла, свет в них передается исключительно по полой сердцевине, что значительно расширяет возможные применения этих устройств.

Ученые из Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва) создали полый световод, с помощью которого смогли с высокой эффективностью преобразовать излучение ближнего ИК-диапазона в средний ИК-диапазон. Авторы взяли коммерчески доступный лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы на длине волны около 1 микрометра (ближний ИК-диапазон), и пропустили это излучение через полый световод длиной 3 метра, заполненный обычным и «тяжелым» водородом (дейтерием). В результате на выходе полого световода получили излучение среднего ИК-диапазона. Причем, меняя долю дейтерия в газовой смеси внутри полой сердцевины, а также подстраивая длительность импульсов на входе в световод, исследователи смогли управлять спектром выходного излучения: получать либо строго фиксированные отдельные длины волн, либо широкий спектр, проникающий в средний ИК-диапазон до длин волн более 4 микрометров.

Средний ИК-диапазон называют диапазоном «отпечатков пальцев», поскольку по тому, как вещество поглощает эти длины волн, можно, как по отпечаткам пальцев, определить его химический состав. Достигнутые результаты позволят создавать эффективные и компактные лазерные источники высокой мощности, необходимые для неинвазивной биомедицинской диагностики, а также для контроля качества продуктов и фармацевтических препаратов.

Прорывным достижением авторов стала первая в мире генерация лазерного излучения непосредственно в полом световоде, в который не подавался свет от внешних источников. Чтобы достичь этого, полый световод заполнили смесью инертных газов гелия и ксенона, а к концам световода приставили зеркала, создав, таким образом, оптический резонатор. Затем световод облучили мощными микроволновыми импульсами с частотой, которая применяется в бытовых СВЧ-печах и модулях Wi-Fi. Такое облучение приводило к зажиганию в полом световоде газового разряда, в котором и возникало лазерное излучение.

«Наше исследование — это первая в мире демонстрация лазерной генерации в полых световодах. Эта работа открывает новое направление, которое позволит в будущем генерировать в полых световодах лазерные импульсы такой мощности, которая в тысячи раз превосходит порог разрушения обычных широко используемых световодов со стеклянной сердцевиной. В дальнейшем мы планируем не только существенно повысить выходную мощность созданных нами газоразрядных волоконных лазеров, но и значительно расширить набор генерируемых ими длин волн как в средней инфракрасной, так и в ультрафиолетовой части спектра. Такие лазеры могут найти разнообразные применения от биомедицинской диагностики до литографии при создании микросхем», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Гладышев, старший научный сотрудник Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН.