Для развития технологии импульсных лазеров российские ученые в деталях описали работу волоконного лазера на переходах редкоземельного элемента тулия. Точность модели подтвердилась при создании установки с заданной длительностью импульса около 331,7 фемтосекунды. Теперь, имея возможность предсказать параметры генерируемых импульсов, ученые могут разрабатывать устройства с предельными характеристиками, оптимизируя параметры модели. Исследования поддержаны Президентской программой Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в Scientific Reports и представлены на конференции Frontiers in Optics 2020.

Лазеры ультракоротких импульсов применяются во многих областях науки, техники и медицины, с их помощью можно получать когерентное излучение в разных спектральных диапазонах — то есть импульсы лазера более короткой длительности открывают возможности для варьирования частоты преобразованного излучения в более широком диапазоне.

Интенсивное развитие лазеров коротких импульсов продолжается уже более двух десятилетий. Для получения принципиально новых результатов необходимо поместить как можно больше энергии в максимально короткий импульс. Очередное поколение лазерных систем использует для генерации излучения ионы редкоземельных металлов, в частности тулий, который относят к иттриевой подгруппе тяжелых лантаноидов. Авторы обсуждаемой работы развивают технологию создания волоконных тулиевых лазеров, которые излучают короткие импульсы на длине волны порядка 1,9 микрометра. Такие лазеры применяют для генерации когерентного излучения в среднем инфракрасном диапазоне (2-20 мкм). Здесь находятся характерные линии поглощения большого числа химических соединений, которые также называют «отпечатками пальцев молекул». Используя такой источник, можно определять сверхмалые концентрации различных веществ (токсичных соединений, атмосферных газов, биомаркеров заболеваний и других). Он будет полезен в диагностике заболеваний, экомониторинге, контроле ядовитых веществ на производстве, в научных исследованиях. Объектом анализа может быть любая среда: газ, жидкость, ткани человеческого организма и другие сложные вещества.

В настоящий момент перед исследователями стоит задача получить максимально короткие импульсы, достижимые для тулиевых лазеров. Современные лазерные системы имеют большую сложность, и в таком поиске простой перебор параметров не позволяет добиться желаемого результата. Цель достижима только при наличии полной математической модели. Теория распространения ультракоротких импульсов в волоконных световодах хорошо известна, однако полному описанию тулиевого лазера в научной литературе уделено недостаточно внимания. Ученые из МГТУ имени Н. Э. Баумана представили разработанную ими детальную математическую модель, описывающую поведение излучения в их лазерном устройстве. При сравнении с опытными данными модель продемонстрировала хорошую точность. К примеру, в эксперименте была получена генерация с импульсами в 331,7 фемтосекунды. В этом случае погрешность предсказанной длительности составила 5,4%, ширины спектра — 4,7%, а энергии — 22,9%. Величина погрешности модели и пути ее уменьшения также подробно обсуждаются в статье.

Работа ученых по получению более коротких импульсов продолжается, новые результаты планируется представить в этом году на конференции CLEO Europe.

В работе участвовали: Институт фотонных технологий Астонского университета (Великобритания), Научно-образовательный центр «Фотоника и ИК-техника» МГТУ имени Н. Э. Баумана (Москва), Научный центр волоконной оптики имени Е. М. Дианова РАН (Москва).