Fysikere opgraderer billig diodelaser til brug i præcise målinger

Russiske fysikere har udviklet en metode til drastisk at indsnævre emissionsspektret for en almindelig diodelaser, sådan i en laserpeger. Dette gør deres enhed til en nyttig erstatning for de mere komplekse og dyre enkeltfrekvente lasere, muliggør oprettelse af kompakte kemiske analysatorer, der kan passe ind i smartphones, billige lidarer til selvkørende biler, samt sikkerheds- og strukturelle sundhedsovervågningssystemer på broer, gasledninger og andre steder. Undersøgelsen blev offentliggjort 26. oktober i Natur fotonik og blev medforfatter af forskere fra Russian Quantum Center (RQC), Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT), Lomonosov Moscow State University (MSU), og Samsung R&D Institute Rusland.

"Dette arbejde har to hovedresultater, "sagde avisens hovedforfatter, RQC videnskabelig direktør Michael Gorodetsky, som også er MSU -professor. "Først, det viser at du kan lave en billig smal linewidth laser, der er enkeltfrekvent, men alligevel meget effektiv og kompakt. For det andet, det samme system uden praktisk talt ændringer kan bruges til at generere optiske frekvenskamme. Det kan således være kernekomponenten i en spektroskopisk kemisk analysator. "

Anvendelserne af lasere er mange. Blandt dem er laserøjekirurgi, lasersigte og fiberoptisk kommunikation. En af de vigtigste anvendelser af lasere er spektroskopi, som måler den præcise kemiske sammensætning af stort set alt.

Den såkaldte optiske frekvenskammeteknik ligger til grund for laserbaseret spektroskopi, blev pioner i Nobelpristagerne i fysik i 2005, John Hall fra USA og Theodor Hänsch fra Tyskland. De to udviklede en laserenhed, der genererer optisk stråling ved 1 million ekstremt stabile frekvenser. Strålingen i forstærkningsmediet for sådanne lasere "hopper" mellem spejle og udsendes i sidste ende som et kontinuerligt tog af korte lysimpulser i en million forskellige farver. Hver puls varer kun femtosekunder - milliontedele af en milliarddel af et sekund. Emissionsspektret for en sådan laser består af et stort antal jævnt fordelte smalle spektrale linjer, "tænderne" i den optiske kam.

En optisk laserfrekvenskam kan bruges som en "lineal" til nøjagtigt at måle lysfrekvens og derfor foretage præcise spektrometriske målinger. Andre applikationer omfatter satellitnavigation, nøjagtig tidsoverførsel af data, og metoden med radial hastighed til påvisning af ekstrasolare planeter.

Forskerne fandt en lettere måde at generere frekvenskamme, som er afhængig af optiske mikroresonatorer. Disse er ring- eller skiveformede transparente komponenter. I kraft af deres materiales ulinearitet, de omdanner pumpelaserstråling til en frekvenskam, også omtalt som en mikrokam.

"Optiske mikroresonatorer med hviskende gallerimetoder blev først foreslået på MSUs fysiske fakultet i 1989. De tilbyder en unik kombination af submillimeterstørrelse og en uhyre høj kvalitetsfaktor, "forklarede studieforfatter, MIPT -doktorand Nikolay Pavlov. "Mikroresonatorer åbner vejen mod at generere optiske kamme i et kompakt rum og uden at bruge meget energi."

Ikke bare hvilken som helst laser kan bruges til at pumpe optiske frekvenskamme i en mikroresonator. Laseren skal være både kraftig og monokromatisk. Sidstnævnte betyder, at det lys, det udsender, skal falde ind i et meget smalt frekvensbånd. De mest almindelige lasere i dag er diodelasere. Selvom de er kompakte og praktiske, i spektroskopi, de mangler mere komplekse og dyre enheder. Årsagen er, at diodelasere ikke er tilstrækkeligt monokromatiske:Strålingen, de udsender, "smøres" hen over et 10-nanometerbånd.

"For at indsnævre linjebredden af ​​en diodelaser, det stabiliseres normalt ved hjælp af en ekstern resonator eller et diffraktionsgitter, "forklarede Gorodetsky." Dette reducerer linjebredden, men omkostningerne er et stort fald i effekten, og enheden er ikke længere billig, det er heller ikke kompakt. "

Forskerne fandt en enkel og elegant løsning på problemet. For at gøre laserlys mere monokromatisk, de brugte meget mikroresonatorer, der genererer optiske frekvenskamme. På den måde formåede de at beholde næsten den samme laserkraft og størrelse - mikroresonatoren er blot millimeter på tværs - samtidig med at den øgede monokromatikken med en faktor på næsten 1 mia. Det er, transmissionsbåndet indsnævres til attometre - milliarder af en milliarddel af en meter - og der genereres en optisk frekvenskam, hvis nødvendigt.

"Fra nu af, kompakte og billige diodelasere fås til næsten hele det optiske spektrum, "tilføjede Pavlov." Dog, deres naturlige linjebredde og stabilitet er utilstrækkelig til mange potentielle opgaver. I denne avis, vi viser, at det er muligt effektivt at indsnævre det brede spektrum af kraftfulde multifrekvens -diodelasere, næsten uden omkostninger ved strømforsyning. Den teknik, vi anvender, indebærer at bruge en mikroresonator som en ekstern resonator til at låse laserdiodefrekvensen. I dette system, mikroresonatoren kan både indsnævre linjebredden og generere den optiske frekvenskam. "

Det foreslåede design har mange mulige anvendelser. En af dem er inden for telekommunikation, hvor det ville forbedre båndbredden af ​​fiberoptiske netværk betydeligt ved at øge antallet af kanaler. En anden sfære, der ville gavne, er design af sensorer, såsom reflektometre, der bruges som grundlag for sikkerheds- og overvågningssystemer. For eksempel, hvis et fiberoptisk kabel løber langs en bro eller en olieledning, lyset i kablet reagerer på de mindste forstyrrelser eller variationer i objektets geometri, identificere potentielle problemer.

Enfrekvente lasere kan bruges i lidarer, eller optiske radarer, som er installeret på selvkørende biler, blandt andre anvendelser. Endelig, teknologien muliggør meget præcise analysatorer, såsom dem, der måler luftens sammensætning eller kører medicinsk diagnostik, der kunne integreres i smartphones eller ure.

"Efterspørgslen efter sådanne lasere ville være virkelig høj, "sagde Gorodetsky.

Fysikeren påpegede også, at alle forfattere af papiret er russiske forskere, hvilket er en ret sjælden anledning til publikationer i et så højtstående tidsskrift.