Ученые разработали новое математическое представление необычного поведения так называемых «дышащих» лазерных импульсов и впервые объединили два различных режима работы ультракоротких лазеров в одной модели.
Ультракороткие (или ультрабыстрые) лазеры создают сверхкороткие всплески света с длительностью всего в несколько пикосекунд или фемтосекунд. Эти импульсы находят применение в лазерной коррекции зрения, биомедицинской визуализации, высокоточной обработке материалов и в микропроизводстве. Внутри лазера свет многократно проходит по замкнутому пути — лазерному резонатору. При определенных условиях в нем формируются солитоны — устойчивые «пакеты» света, которые, в отличие от обычных импульсов, не расплываются при распространении.
Солитоны чаще всего демонстрируют стабильное поведение и выдают равномерную последовательность импульсов, напоминающую сердечный ритм. Однако в некоторых режимах лазер, кажется, «дышит»: солитоны многократно увеличиваются и сжимаются при последовательных проходах через резонатор, создавая ритмичную осцилляцию, схожую с дыханием.
Экспериментально установлено, что существуют два совершенно различных типа такого «дыхания». Выше порога — минимальной мощности, при которой лазер способен поддерживать импульсы, солитоны колеблются быстро: цикл «вдох-выдох» занимает всего несколько проходов резонатора. Ниже порога поведение становится значительно медленнее — для одного цикла могут понадобиться сотни или даже тысячи проходов.
Физики до сих пор описывали эти два режима с помощью различных математических моделей, считая их по сути разными процессами. В новой работе специалистов Института фотонных технологий Университета Астона показано, что оба типа дыхания можно объяснить в рамках одной дискретной модели, если учитывать оба временных масштаба: быструю эволюцию света в резонаторе и более медленную динамику усиления в активной среде лазера.
Численное моделирование восстановило все ключевые экспериментальные характеристики. Оказалось, что медленное дыхание ниже порога возникает в результате комбинации Q-переключения (медленных колебаний усиления и потерь) с формированием солитона. Быстрые колебания выше порога определяются, в основном, нелинейным эффектом Керра и дисперсией в оптическом волокне. При этом одна и та же модель корректно описывает как быстрые, «зафиксированные» на резонаторе колебания с гребенчатым радиочастотным спектром и боковыми полосами в оптическом спектре, так и медленные режимы с плотными, но «несоизмеримыми» радиочастотными линиями и без оптических боковых полос.
Авторы исследования полагают, что этот единый подход устраняет давний пробел в теории лазеров и предлагает ценное практическое средство для конструкторов. Понимая, какие механизмы лежат в основе различных типов «дыхания», инженеры смогут точнее предсказывать сложные режимы работы лазеров и целенаправленно проектировать стабильные, но в то же время настраиваемые источники света. Это важно для создания следующего поколения ультрабыстрых лазеров для медицины, микроскопии, телекоммуникаций и высокоточной промышленной обработки.
Фото: hi-tech.mail.ru