Nową metodologię diagnostyki laserów impulsowych opracowali naukowcy z Politechniki Wrocławskiej. Wyniki ich badań opublikowało czasopismo „Nature Communications”.
Soliton to samopodtrzymująca się fala, która może przebywać duże odległości bez zmiany kształtu. Powstaje w wyniku balansu pomiędzy właściwościami dyspersyjnymi a nieliniowymi ośrodka, w którym propaguje. W układach mechanicznych pierwszy raz zjawisko solitonu opisał w 1834 r. szkocki fizyk John Scott Russell podczas obserwacji kanału Union w Szkocji. Zauważył falę, która wytworzyła się wskutek nagłego zatrzymania łodzi ciągniętej przez konie. Wybrzuszenie wody, które się wtedy uformowało, kontynuowało podróż z dużą prędkością przez ponad milę bez widocznej zmiany kształtu. Podobnie jest również z falami tsunami.
Największą popularność solitonów zagwarantowały jednak lasery światłowodowe. Typowy impuls światła propagujący w światłowodzie ulega poszerzeniu z powodu dyspersji chromatycznej, czyli zależności współczynnika załamania od długości fali. Mimo to, gdy osiągnie on odpowiednio dużą intensywność, modyfikuje współczynnik załamania medium światłowodowego wskutek tzw. efektu Kerra – tłumaczy dr inż. Łukasz Sterczewski z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów PWr. – Balans pomiędzy tymi dwoma zjawiskami, liniowym i nieliniowym, warunkuje powstanie samopodtrzymującego się solitonu optycznego – impulsu o niezmieniającym się kształcie i czasie trwania rzędu kilkuset femtosekund. Lasery bazujące na tym zjawisku są chętnie wykorzystywane jako źródła impulsów optycznych na potrzeby telekomunikacji, spektroskopii i obrazowania biomedycznego – dodaje.
Najbardziej pożądanym stanem solitonu optycznego, z punktu widzenia większości aplikacji, jest stan tzw. singletu, w którym wytwarzany jest jeden impuls na okres obiegu wnęki laserowej. Niestety, w układach nieliniowych, jakimi są lasery światłowodowe, w pewnych warunkach pojedynczy soliton rozpada się na mniejsze, co objawia się zmniejszoną mocą szczytową, silną modulacją widma optycznego i pogorszeniem parametrów szumowych. Ze względu na analogię do ciała stałego, takie struktury związanych impulsów optycznych nazywa się cząsteczkami solitonowymi.
W praktyce ich diagnostyka jest często kłopotliwa, zwłaszcza w zakresach widma optycznego odległych od pasma telekomunikacyjnego 1550 nm. Nietrudno też przeoczyć obecność impulsów odległych od siebie w czasie – wyjaśnia inny badacz z WEFiM dr hab. inż. Jarosław Sotor. – W pracy zaproponowaliśmy wykorzystanie zjawiska absorpcji dwufotonowej w detektorach półprzewodnikowych celem monitorowania dynamiki impulsów powstających we wnęce laserowej z dużą szybkością.
Obrazowanie solitonów przypomina bowiem stroboskop, który spowalniania oś czasu dzięki wykorzystaniu tzw. techniki dwugrzebieniowej (ang. dual-comb spectroscopy). Nie wykorzystuje się w niej żadnych części ruchomych, a detekcja dwufotonowa znosi wymóg zgodności długości fali cechujący klasyczną spektroskopię dwugrzebieniową.
Ta modyfikacja umożliwia wykorzystanie dobrze rozwiniętych i dopracowanych źródeł z zakresu telekomunikacyjnego 1550 nm do badania źródeł z innych zakresów spektralnych, np. 2000 nm, czy średniej podczerwieni – tłumaczy prof. Sotor.
Łatwiejsze badanie dynamiki laserów
Naukowcom zależało na dostarczeniu narzędzia dla środowiska naukowego. Ma ono pozwolić na zbadanie bogatej dynamiki laserów w prawie dowolnym zakresie spektralnym z dużą szybkością, przekraczającą o rzędy wielkości oferowaną przez tradycyjne instrumenty z ruchomymi zwierciadłami, czy spektrometry siatkowe. Dzięki opracowanemu rozwiązaniu, mierzącemu tzw. korelację krzyżową intensywności, zbadali ewolucję solitonowych impulsów laserowych w szerokim zakresie długości fal.
Drugim czynnikiem motywującym do podjęcia pracy w tej dziedzinie był fakt, że typowe optyczne urządzenia diagnostyczne nie dają pewności, czy laser dostarcza jeden impuls na obieg wnęki. Ma to krytyczne znaczenie dla koleżanek i kolegów z grupy, którzy impulsy laserowe tworzą na potrzebę wielofotonowego obrazowania ludzkiego oka – wyjaśnia dr inż. Łukasz Sterczewski. – Mniejsza moc szczytowa wynikająca z powstania molekuł solitonowych drastycznie zmniejsza mierzony przez nich sygnał, a w takich badaniach obowiązują restrykcyjne limity mocy oświetlającej gałkę oczną, której nie można swobodnie zwiększyć. Zaproponowana przez nas technika pomiarowa stanowi uzupełnienie metod diagnostycznych i pozwala m.in. w jednoznaczny sposób określić liczbę impulsów wytwarzanych w czasie jednego obiegu rezonatora laserowego – dodaje.
Europejski grant, międzynarodowa współpraca
Badania były prowadzone przez rok w ramach grantu Komisji Europejskiej Marii Skłodowskiej Curie z programu Horyzont 2020 oraz projektu OPUS finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Ich efektem jest opracowanie nowej metodologii diagnostyki laserów impulsowych i wstępna charakterystyka komercyjnie dostępnych fotodetektorów pod kątem przydatności do tego celu.
Nawiązaliśmy już współpracę z naukowcami w Szkocji, którzy korzystają z naszych detektorów dwufotonowych do optycznego pomiaru odległości. Dalsze kroki obejmą opracowanie płynnie przestrajalnego źródła do rutynowej diagnostyki źródeł laserowych w laboratorium i badanie stanów przejściowych impulsów laserowych powstających w momencie startu – zapowiada prof. Jarosław Sotor.
Dodatkowy atut to uniwersalność techniki i możliwość jej stosowania do różnych źródeł, nie tylko światłowodowych. Planowane jest jej wykorzystanie do badania dynamiki solitonów optycznych w mikrorezonatorach i laserach półprzewodnikowych z synchronizacją modów.
źródło: PWr