Российские физики нашли способ превратить обычный диодный лазер в узкополосный
Физики из Российского квантового центра, МФТИ, физфака МГУ и московского исследовательского центра компании Samsung разработали метод радикального сужения спектра излучения обычных диодных лазеров, что позволяет использовать их вместо дорогих и сложных одночастотных лазерных устройств. Это открывает возможности для создания компактных химических анализаторов, которые можно уместить в смартфон, дешевых лидаров, систем охраны и мониторинга состояния сооружений, например, газопроводов и мостов, и многих других применений.
«В этой работе два главных результата: она показывает, что можно создать дешевый лазер с узкой линией, одночастотный, но при этом очень энергоэффективный и компактный, и вторая — что этот же лазер практически без изменений можно использовать для генерации оптических гребенок, то есть в качестве основного компонента спектроскопических химических анализаторов», - говорит ведущий автор исследования, научный директор РКЦ и профессор МГУ Михаил Городецкий.
Оптические гребёнки можно генерировать с помощью микрорезонаторов, «колец» или дисков из прозрачных материалов, где излучение лазера накачки из-за нелинейности материала превращается в частотную гребенку (для простоты микрогребенку). Но на роль накачки оптических гребенок подходит не любой лазер. Он должен быть, с одной стороны, достаточно мощным, а с другой, достаточно монохроматичным, то есть его излучение должно располагаться в очень узкой полосе частот. Сегодня самые распространённые и самые дешевые лазеры - диодные. Однако компактные и удобные лазерные диоды сильно проигрывают в сфере спектроскопии более дорогим и сложным устройствам - как раз за счёт недостаточной монохроматичности. Излучение таких лазеров «размазано» по полосе в десяок нанометров.
«Для того, чтобы сузить линию диодного лазера, его стабилизируют либо внешним резонатором, либо дифракционной решеткой. Это позволяет сузить полосу, но за это приходится расплачиваться сильным снижением мощности, и о низкой цене и компактности тоже можно забыть», — объясняет Городецкий.
Он и его коллеги нашли простое и элегантное решение проблемы: они заставили превращать свет лазера в более монохроматический те же самые микрорезонаторы, которые генерируют оптические гребенки. Так получилось убить сразу двух зайцев: мощность лазера остаётся практически той же, размеры меняются мало — размер микрорезонатора составляет миллиметры, а свет почти в миллиард раз более монохроматичный — полоса пропускания сужается до аттометров (вплоть до 1.7кГц), а заодно, если хотим, мы тут же получаем и оптическую гребенку.
«Для генерации гребенок нужны достаточно мощные лазеры. У одночастотных лазерных диодов мощность на пределе, порядка десятков милливатт, а многочастотные диодные лазеры — сотни милливатт. Мы выяснили, что можно делать простой и дешевый лазер с узкой линией, и эта компактная система может также генерировать оптические гребенки», - говорит Городецкий.
У предложенной схемы множество возможных применений, например, в сфере телекоммуникаций она позволяет значительно увеличить пропускную способность оптоволоконных сетей за счет увеличения числа каналов. Второе направление — различные сенсоры, например, рефлектометры, на базе которых создаются системы мониторинга и охраны. Например, 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.
Одночастотные лазеры можно будет использовать в оптических радарах — лидарах, которые сегодня устанавливают, например, на беспилотные автомобили. Наконец, на их базе можно создавать высокоточные анализаторы, например, устройства для анализа состава воздуха или медицинской диагностики, которые можно встраивать в смартфоны или в часы.
Городецкий особо подчеркнул, что все авторы статьи — российские ученые, и это достаточно редкий случай, когда в журнале такого высокого уровня появляется чисто российская статья.
Статья в Nature Photonics - doi.org/10.1038/s41566-018-0277-2
#photonics #фотоника
