Сибирские физики создали лазер-хамелеон

Лазер, созданный томскими учёными в сотрудничестве с иностранными коллегами, легко меняет длину волны излучения почти на любую другую в пределах видимого диапазона. О достижении рассказывает научная статья, опубликованная в журнале Photonics Research группой во главе с Дмитрием Турчиновичем из Томского государственного политехнического университета (ТПУ).

Техника предъявляет большой спрос на лазеры, способные менять длину волны излучения. Например, в медицинских исследованиях применяются флуоресцентные вещества, которые начинают светиться в ответ на излучение строго определённой длины волны. Эти красители вводятся в живую ткань и распределяются по ней. При облучении лазером они создают "снимок" микроструктуры ткани. В разных видах исследования применяются разные вещества, и каждому для свечения требуется своя длина волны. Поэтому очень здорово было бы иметь лазер, способный менять этот параметр в широких пределах.

Однако создать такое устройство не так-то просто. Сама конструкция любого лазера жёстко фиксирует его длину волны.

Поясним, о чём идёт речь. Как известно, фотон испускается, когда частица (например, электрон) переходит с верхнего энергетического уровня на нижний. Энергия кванта и будет равна разнице между этими двумя уровнями, а она однозначно определяет длину волны излучения.

Для генерации лазерного импульса необходимо, чтобы на верхнем уровне оказалось больше частиц, чем на нижнем. Подобная ситуация почти никогда не встречается в естественных условиях, и добиться такого положения дел весьма трудно. И уж тем более почти невозможно добиться того, чтобы перенаселёнными оказались сразу несколько верхних уровней. Обычно такой уровень один, поэтому и длина волны у лазера одна.

Существуют технологии, позволяющие лазеру стать "хамелеоном". Например, подбирается особая среда, которая поглощает испускаемые фотоны, а затем переизлучает их на разных длинах волн.

Однако такие методики далеки от совершенства. На выходе излучение уже не так уж похоже на лазерное, оно приобретает черты естественного света: разные волны отличаются как по длине, так и по фазе. Поэтому устройство теряет те преимущества лазера перед лампочкой, которые и позволили этим излучателям завоевать мир. К тому же такое преобразование излучения – весьма энергоёмкий процесс.

Художественное изображение новой плоской линзы. Метаматериал фокусирует свет в области, размером меньше длины световой волны (жёлтая).

Иллюстрация Peter Allen/Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Авторы предложили технологию, свободную от этих недостатков.

"Нас интересовало решение, исключающее минусы известных подходов, и при этом простое и дешёвое. Мы собрали волоконный лазер, генерирующий на выходе световые импульсы с центральной длиной волны 1,04 микрометра, длительность которых меняется от пикосекунды до 50 фемтосекунд. Излучение лазера заводилось в кусочек специально профилированного фотонно-кристаллического волокна", – рассказывает доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Егоров, чьи слова приводит агентство "РИА Новости".

Поясним, что термин "волоконный лазер" означает, что генерация излучения происходит в оптическом волокне. Фотонно-кристаллическое волокно здесь было использовано в качестве преобразователя длины волны. Оболочка такого волокна имеет особую структуру. Оптические свойства (в частности, диэлектрическая проницаемость) материала меняются вдоль оптического канала с периодом, сравнимым с длиной волны света. Это открывает широкие возможности для управления характеристиками излучения.

Авторам удалось так подобрать структуру оболочки, что длина волны выходящего излучения определялась длительностью и интенсивностью входного лазерного импульса. Меняя эти параметры, учёные получали луч в почти любой части видимого спектра, от синего до красного.

Устройство оказалось ещё и сравнительно энергоэффективным.

"Как известно, методы спектральной конверсии излучения очень энергозатратны. Мы же сразу вышли на КПД порядка 1-2%, хотя фокусировались не на энергетике, а на ширине диапазона перестройки. То есть наш подход имеет потенциал для наращивания энергетической эффективности как минимум до уровня распространённых методов, но при этом лишён их фундаментальных недостатков", – говорит Егоров.

Поясним, что под спектральной конверсией здесь понимается перестройка длины волны излучения.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о самых разных лазерах: рекордно мощных, позволяющих заглянуть в глубины атома и даже состоящих из живых клеток.