Новая жизнь диодного лазера

Широко распространенный диодный лазер, знакомый всем по лазерной указке, компактен, экономичен и дешев, но обладает существенным недостатком: имеет широкий спектр излучения. Это сильно ограничивает его практическое применение, поскольку во многих случаях требуется излучение только одной частоты.

(Фото: ra2studio / Depositphotos) Оптическая гребенка – спектр в виде большого числа линий, каждая из которых соответствует своей частоте. Внизу – волны в микрорезонаторе.Экспериментальная установка. Для оценки размера можно учесть, что расстояние между отверстиями в столе равно 2,5 см. Коммерческие реализации будут значительно компактнее.‹›Открыть в полном размере

Лазеры сегодня используют для решения множества задач. Наверное, все слышали о лазерной коррекции зрения и лазерных прицелах. А есть еще лазерные дальномеры, системы мониторинга атмосферы, системы передачи данных и многое другое. Одно из применений лазеров – высокоточные измерения химического состава методом спектроскопии.

Важную роль в этой технологии играют оптические гребенки. Так называют сигналы, частотный спектр которых представляет собой набор линий, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Другими словами, в оптической гребенке лазерная система создаёт стабильное излучение на разных частотах, разделенных одинаковыми промежутками. Впервые в конце 1990-х годов оптические гребенки получили Теодор Хенш из Германии и Джон Холл из США, за что в 2005 году им была присуждена Нобелевская премия.

Оптическая гребенка – спектр в виде большого числа линий, каждая из которых соответствует своей частоте. Внизу – волны в микрорезонаторе.

Лазерная оптическая гребенка играет роль «линейки», позволяющей с высокой точностью измерять частоты оптического излучения и, соответственно, проводить очень точные спектроскопические измерения. Её можно также использовать для систем спутниковой навигации, для технологий передачи данных о точном времени, для поиска экзопланет методом лучевых скоростей.

Экспериментальная установка. Для оценки размера можно учесть, что расстояние между отверстиями в столе равно 2,5 см. Коммерческие реализации будут значительно компактнее.

Подобный сигнал достаточно просто создать с помощью оптических микрорезонаторов: колец или дисков из прозрачных материалов, где излучение лазера из-за нелинейных эффектов превращается в частотную гребенку. Такие микрорезонаторы впервые предложили в 1989 году исследователи из физического факультета МГУ. Подобные устройства уникальны в том, что при малом, миллиметровом размере демонстрируют гигантскую добротность (способностью поддерживать колебания с малыми потерями энергии). Такая технология открывает путь к созданию компактных генераторов оптических гребёнок с низким потреблением энергии.

Однако для этого подходит не любой лазер. Он должен быть, с одной стороны, мощным, а с другой, достаточно монохроматичным, то есть его излучение должно располагаться в очень узкой полосе частот. Приблизительно такой лазер можно назвать одночастотным.

Сегодня самые распространённые и самые дешевые лазеры – диодные, вроде тех, что используют в лазерных указках. Они просты, компактны и удобны, но сильно проигрывают в сфере спектроскопии более дорогим и сложным устройствам – как раз из-за недостаточной монохроматичности и стабильности. Излучение таких лазеров «размазано» по полосе длин волн в десяток нанометров (1 нанометр = 10^–9 м). Разумеется, и ранее физики умели сужать полосу длин, но за это приходилось расплачиваться сильным снижением мощности, а о низкой цене и компактности просто можно было забыть.

Физики из Российского квантового центра (РКЦ), Московского физико-технического института (МФТИ), физического факультета Московского государственного университета (МГУ) и московского исследовательского центра компании Samsung нашли простое и элегантное решение проблемы. Они сделали свет лазера более монохроматическим и стабильным с помощью тех же самых микрорезонаторов, которые генерируют оптические гребенки. Этим они убили сразу нескольких зайцев: мощность излучения практически не уменьшается, система остаётся по размеру небольшой, а свет становится почти в миллиард раз более монохроматичным – полоса излучения сужается до аттометров (1 аттометр = 10^–18 м); заодно, если нужно, можно получить оптическую гребенку. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Photonics.

Предложенная технология найдет множество возможных применений. «Лазеры из указки» с суженной частотой можно использовать вместо дорогих и сложных одночастотных лазерных устройств, создавая на их основе компактные, умещающиеся в смартфон или часы химические анализаторы. С другой стороны, технология позволит значительно увеличить пропускную способность оптоволоконных сетей за счет увеличения числа каналов.

Ещё одним направлением могут стать различные сенсоры, например, рефлектометры, на базе которых создаются системы мониторинга и охраны. Достаточно уложить вдоль моста или нефтепровода оптоволоконный кабель, и излучение лазера внутри него будет реагировать на малейшие колебания или изменения геометрии объекта, точно указывая на место нарушения. Кроме того, такие лазеры можно будет использовать в оптических радарах – лидарах, которые применяют в метеорологии, геодезии, картографии и даже устанавливают на беспилотные автомобили.

По материалам совместного пресс-релиза РКЦ и МФТИ

Автор: Алексей Понятов

Источник: «Наука и жизнь»