Forskere udvikler overraskende teknik til ultrakorte laserpulser

Pulslasere bygget helt på optiske fibre bruges i stigende grad af industrien. Optiske forskere fra Warszawa Laser Center ved Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi og fakultetet for fysik ved Warszawa Universitet har genereret ultrakorte laserimpulser i en optisk fiber med en metode, der tidligere blev anset for at være fysisk umulig. Deres løsning er ikke kun nyttig, men også overraskende enkelt.

En innovativ fiberlaser er blevet udviklet på Laser Center ved Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi (IPC PAS) og det fysiske fakultet ved University of Warsaw. Ved hjælp af en enkel løsning, Warszawas optiske forskere har "tvunget" en af ​​typerne af optiske fiberlasere til at generere ultrakort, højenergipulser. Den nye laser er fri for mekanisk følsomme ydre dele, hvilket ser ud til at være særligt interessant for fremtidige applikationer. Opfindelsen fremskynder i høj grad behandlingen af ​​materialer i industrielle lasermaskiner.

"Fiberlasere kan bygges, så alle de processer, der er vigtige for generering og formning af ultrakortpulserne, finder sted i selve fiberen. Sådanne anordninger, uden eksterne mekanisk følsomme komponenter, fungere på en meget stabil måde, og er ideelle til arbejde under vanskelige forhold, "siger Dr. Yuriy Stepanenko (IPC PAS).

Laservirkning i fiberen fører til generering af en kontinuerlig lysstråle. Frigivelsen af ​​energi i de kortest mulige pulser er, imidlertid, meget gunstigere, da det betyder en stor magtforøgelse. Pulser genereres i fiberlasere via et mætteligt absorberingssystem. Når lysintensiteten er lav, absorberen blokerer lys; når det er højt, absorberen slipper den igennem. Da femtosekundpulser har større intensitet end en kontinuerlig stråle, absorberens parametre kan justeres, så den kun tillader pulser.

"Indtil nu, grafenplader, blandt andre, er blevet brugt som mættelige absorbere, i form af et tyndt lag afsat på spidsen af ​​fiberen. Men diametrene på optiske fibre er i størrelsesordenen enkelt mikrometer. Selv lidt energi, der er trang i et så lille tværsnit, har en betydelig densitet pr. Arealenhed, påvirker materialernes levetid. Derfor, hvis der blev gjort et forsøg på at øge styrken af ​​femtosekundpulserne, grafen på spidsen af ​​stikket blev ødelagt. Andre absorbere, såsom carbon nanorør, kan også undergå nedbrydning, "forklarer Jan Szczepanek, en ph.d.-studerende fra fakultetet for fysik på universitetet i Warszawa.

For at generere femtosekundspulser med højere energi i den optiske fiber, Warszawa-fysikerne besluttede at forbedre mættende absorbere af en anden type, via smart brug af optiske fænomener som ikke -lineære effekter, der forårsager en ændring i brydningsindekset for glas.

Elektriske og magnetiske lysfelter svinger normalt tilfældigt, indbyrdes vinkelrette retninger. Når felterne hele tiden svinger i det samme plan, bølgen kaldes lineært polariseret. I klassisk optik, det antages, at når en sådan bølge passerer gennem et medium, den oplever et konstant brydningsindeks, uanset lysstyrken. I ikke -lineær optik er dette anderledes:Ved en tilstrækkelig høj lysintensitet, brydningsindekset begynder at stige lidt.

En ikke -lineær kunstig mættelig absorber fungerer som følger. Ved input, det lineært polariserede lys er opdelt i en stråle med lav intensitet og en stråle med høj intensitet. Absorberens medium kan vælges, så begge lysstråler oplever et lidt anderledes brydningsindeks, så de kan bevæge sig med lidt forskellige (fase) hastigheder. Som et resultat af hastighedsforskellen, polariseringsplanet begynder at rotere. Ved absorberens output, der er et polarisationsfilter, der kun slipper igennem bølger, der oscillerer vinkelret på polariseringsplanet for det indgående lys. Når laseren kører i kontinuerlig tilstand, lyset i strålen er af en relativt lav intensitet, en optisk sti -forskel forekommer ikke, polariseringen ændrer sig ikke, og outputfilteret blokerer lyset. Ved en høj nok intensitet, typisk for femtosekundspulser polariseringsrotationen får pulsen til at passere gennem polarisatoren.

For at den mættelige absorber med polarisationsrotation skal fungere, fiberen skal have forskellige brydningsindekser i forskellige retninger (den skal derfor være dobbeltbrydende), og begge indeks bør også være stabile. Problemet er, at i almindelige optiske fibre, dobbeltbrydning sker ved et uheld, f.eks. på grund af stress forårsaget af berøring af en finger. Lasere bygget på denne måde er ekstremt følsomme over for eksterne faktorer. På tur, dobbeltbrydning af de polarisationsbevarende fibre er så stor, at lyset kun formerer sig i én retning, og konstruktionen af ​​kunstige mættelige absorbere bliver fysisk umulig.

"Birefringente optiske fibre, der bevarer polarisationstilstanden for det indgående lys, er allerede i produktion. Vi er de første til at demonstrere, hvordan de kan bruges til at konstruere en mættelig absorber:Vi skærer den optiske fiber i segmenter af en passende længde og forbinder dem derefter igen, rotere hvert på hinanden følgende segment 90 grader i forhold til sin forgænger, " siger ph.d.-studerende Szczepanek.

"Rotation betyder, at hvis i et segment en puls med, skal vi sige, lodret polarisering bevæger sig langsomt, i den næste, det vil køre hurtigere og indhente den anden puls, polariseret vinkelret. En enkel procedure har derfor givet os mulighed for at fjerne den største hindring for at øge energien, det er, den store forskel i hastigheder mellem pulser med forskellige polariteter, typisk for alle polarisationsbevarende fibre, "forklarer Dr. Stepanenko.

Jo mere roterede segmenter der er, jo bedre kvalitet af de pulser, der genereres i fiberen. I laseren bygget i Warszawa -laboratoriet, den mættede absorber bestod af en fiber med en længde på ca. 3 m, opdelt i tre segmenter, og en filtrerende polarisator. Det potentielle antal roterede segmenter kan øges op til endda et dusin eller deromkring.

Den nye laser producerer femtosekundpulser af høj kvalitet, og deres energi kan være op til 1000 gange større end typisk for lasere med materialeabsorbere. I sammenligning med enheder med kunstige absorbere, laseren lavet af forskere i Warszawa har en meget enklere konstruktion, og derfor er dens pålidelighed betydeligt større.