Прорыв в миниатюризации лазерных технологий
Специалисты из Российского квантового центра, МФТИ, МГУ и исследовательского центра Samsung совершили прорыв, разработав метод кардинального сужения спектра излучения обычных диодных лазеров. Это позволяет заменить ими дорогостоящие и сложные одночастотные лазерные системы. Открытие прокладывает путь к созданию целого ряда компактных устройств: химических анализаторов размером со смартфон, экономичных лидаров, а также систем охраны и мониторинга состояния критически важных объектов, таких как газопроводы и мосты.
Двойное преимущество новой технологии
«Наша работа демонстрирует два ключевых достижения: возможность создания дешевого, энергоэффективного и компактного одночастотного лазера с узкой линией излучения, и то, что этот же лазер практически без доработок способен генерировать оптические гребенки – основу для спектроскопических химических анализаторов», – подчеркивает ведущий автор исследования.
Оптические гребенки: основа точных измерений
Лазеры находят применение во множестве областей: от медицины до передачи данных. Особое значение имеет спектроскопия – высокоточный метод определения химического состава веществ. Ее сердцем являются оптические гребенки – лазерное излучение, состоящее из миллионов стабильных частот, образующих в спектре подобие гребенки. Эта уникальная "линейка" позволяет с исключительной точностью измерять оптические частоты, что критично для спектроскопии, спутниковой навигации, передачи точного времени и даже поиска экзопланет.
Микрорезонаторы: компактность и эффективность
Генерация оптических гребенок стала значительно проще благодаря микрорезонаторам – крошечным кольцам или дискам из специальных материалов. Здесь излучение накачки, благодаря нелинейным эффектам, преобразуется в частотную гребенку (микрогребенку). Оптические микрорезонаторы с модами шепчущей галереи, впервые предложенные в МГУ, уникальны сочетанием субмиллиметровых размеров и высочайшей добротности. Они открывают путь к созданию компактных источников гребенок с минимальным энергопотреблением.
Преодоление ограничений диодных лазеров
Однако для эффективной накачки микрогребенок в микрорезонаторе нужен особый лазер: мощный и с очень узкой полосой излучения (монохроматичный). Самые распространенные и дешевые диодные лазеры, к сожалению, для спектроскопии непригодны из-за слишком широкого спектра излучения – он "размазан" на десятки нанометров. Традиционные методы сужения линии (внешние резонаторы, дифракционные решетки) приводят к значительной потере мощности и увеличению габаритов и стоимости устройства.
Элегантное решение: микрорезонатор как ключ
Ученые предложили изящное решение: использовать для сужения спектра диодного лазера тот же микрорезонатор, который предназначен для генерации оптической гребенки. Это позволило решить две задачи одновременно: мощность лазера сохраняется практически без изменений, размеры системы остаются небольшими (микрорезонатор имеет миллиметровые габариты), а излучение становится почти в миллиард раз более монохроматичным – полоса сужается до аттометров. При этом система сразу же готова генерировать и оптическую гребенку.
Широкий спектр перспективных применений
Новая технология открывает огромные перспективы. В телекоммуникациях она позволит кратно увеличить пропускную способность оптоволоконных сетей. В сфере безопасности и контроля станут возможны высокочувствительные сенсоры на базе рефлектометров для мониторинга состояния мостов, трубопроводов и других сооружений. Одночастотные лазеры найдут применение в компактных лидарах для беспилотного транспорта. И, конечно, ключевое применение – создание миниатюрных высокоточных анализаторов для определения состава воздуха или медицинской диагностики, интегрируемых прямо в смартфоны или умные часы.
Огромный потенциал и национальное достижение
«Спрос на такие лазеры будет очень высоким», – уверенно заявляют разработчики. Они особо отмечают, что все авторы исследования – российские ученые, что подчеркивает высокий уровень отечественной науки и является значимым достижением для публикации в ведущем международном журнале.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
Информационный материал подготовлен пресс-службой МФТИ
Яркие визуализации для статьи предоставлены фотобанком Freepik
Подробнее с инновационным открытием можно ознакомиться в первоисточнике: scientificrussia.ru
Данные любезно предоставлены пресс-центром Московского физико-технического института
Иллюстрации: Freepik — неиссякаемый источник креативных решений!
Вдохновляйтесь полной версией исследования: scientificrussia.ru
Источник: scientificrussia.ru