Углеродные нанотрубки помогли точно настроить режимы фемтосекундного лазера

Физики из МФТИ и Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН показали, как свойства углеродных нанотрубок внутри лазерного резонатора позволяют управлять генерацией ультракоротких импульсов. Изменяя поглощение и время релаксации насыщаемых поглотителей, ученые смогли целенаправленно переключать лазер между различными режимами работы — от одиночных солитонов до связанных многоимпульсных состояний. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics and Laser Technology и важны для развития лазеров, применяемых в телекоммуникациях, метрологии, медицине и квантовых технологиях.

Фемтосекундные и пикосекундные лазеры формируют сверхкороткие вспышки света, длительность которых составляет триллионные и квадриллионные доли секунды. Такие источники лежат в основе прецизионной обработки материалов, спектроскопии, оптической связи и биомедицинских методов диагностики. Ключевым элементом подобных систем являются насыщаемые поглотители — материалы, которые автоматически запускают синхронизацию мод и формирование импульсов внутри лазера.

В своей работе исследователи создали кольцевой эрбиевый волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод и использовали в нем насыщаемые поглотители на основе одностенных углеродных нанотрубок. Были изучены два типа материалов: чистые нанотрубки и нанотрубки, легированные нитридом бора. Эти материалы привлекательны для лазерной техники благодаря широкой полосе поглощения, компактности и малым оптическим потерям.

Принципиальной особенностью работы стало то, что ученые впервые исследовали поведение насыщаемых поглотителей непосредственно внутри работающего лазерного резонатора. Для этого была создана специальная экспериментальная установка. Сначала свойства нанотрубок — пропускание и энергия насыщения — измеряли вне лазера, а затем те же образцы встраивали в резонатор и анализировали, как они влияют на характер генерации импульсов.

Использование нанотрубок, легированных нитридом бора, позволило получить устойчивые одиночные солитоны длительностью около 399 фс в режиме аномальной дисперсии. Такие импульсы сохраняют форму при распространении и широко применяются в метрологии и волоконной связи. При увеличении мощности накачки лазер переходил в режим гармонической синхронизации мод, когда за один проход света в резонаторе формировались сразу два импульса. Этот эффект стал возможен благодаря короткому времени релаксации допированных нанотрубок — около 380 фс.

В режиме нормальной дисперсии резонатора физики реализовали генерацию диссипативных солитонов — более длинных, растянутых во времени импульсов длительностью порядка 13,2 пс. Такой режим оказался достижим только при использовании допированных нанотрубок, поскольку их низкие потери обеспечивают устойчивую работу лазера.

Чистые углеродные нанотрубки продемонстрировали иной сценарий. При увеличении энергии импульсов лазер переходил в многоимпульсные режимы, в которых отдельные импульсы сохраняли фазовую когерентность. Были получены векторные солитоны и солитонные молекулы — связанные группы из нескольких импульсов, ведущие себя как единое целое. Такой режим стал возможен благодаря более длинному времени релаксации чистых нанотрубок — около 600 фс, что позволяет пропускать больше энергии за один цикл работы лазера.

«Одним из самых неожиданных результатов стала генерация солитонных молекул с управляемым числом импульсов — от двух до пяти, — отметил Алмикдад Исмаил, инженер лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ. — Это относительно новый и перспективный режим, в котором проявляются уникальные когерентные свойства ультракоротких импульсов».

Авторы показали, что легирование нанотрубок нитридом бора усиливает их поглощение на рабочей длине волны лазера, увеличивает глубину модуляции насыщения и ускоряет релаксацию. В результате такие поглотители особенно хорошо подходят для стабильной одноимпульсной генерации. Чистые же нанотрубки, напротив, удобны для получения контролируемых многоимпульсных состояний.

Таким образом, исследование установило прямую связь между оптическими характеристиками углеродных нанотрубок и режимами генерации ультракоротких импульсов. Это открывает путь к целенаправленной настройке фемтосекундных лазеров под конкретные задачи — от высокоскоростной передачи данных до источников когерентного света для квантовых приложений.

«Нанотрубки с разными временами релаксации и глубиной насыщения позволяют выбирать режим генерации буквально “под задачу”, — пояснила Елена Образцова, заведующая лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ. — Допированные трубки оптимальны для стабильных солитонных режимов, а чистые — для когерентной многоимпульсной генерации, которая может быть востребована в квантовой оптике».

Источник: Российские физики оптимизировали работу фемтосекундного лазера с помощью углеродных нанотрубок — За науку