Новосибирские и московские физики «скрестили» случайную генерацию и висмутовые волоконные световоды — получился уникальный лазер.
Новосибирский случайный лазер: прорыв в лазерных технологиях

20 июля в журнале Scientific Reports группы Nature опубликована статья российских физиков. В ней впервые продемонстрирован случайный волоконный лазер на основе висмутового активного световода.

Работа является результатом объединения усилий научных коллективов из московского Научного центра волоконной оптики (НЦВО) РАН под руководством академика Евгения Дианова и новосибирского Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН под руководством члена-корреспондента РАН Сергея Бабина, являющихся мировыми лидерами в области висмутовых волоконных световодов для оптической связи и высокоэффективных случайных волоконных лазеров, соответственно. «Скрещивание» двух перспективных направлений волоконной оптики дало уникальный результат.

Случайные лазеры (random lasers), в отличие от обычных, могут генерировать лазерное излучение без зеркал — за счет многократного рассеяния в усиливающей среде. Такой средой могут служить лазерные кристаллы или полупроводники, размолотые в порошок до микронных и субмикронных размеров, или суспензии усиливающих красителей с наночастицами. Чтобы возникла генерация, их возбуждают излучением накачки. Уникальность случайных лазеров в том, что в них нет резонатора, который требует высокой точности изготовления оптических элементов, особенно при малых размерах лазера (например, полупроводникового). Случайная лазерная генерация из-за рэлеевского рассеяния в волоконных световодах была открыта в 2010 году и активно развивается в Новосибирске. Она наблюдалась сначала как паразитный эффект в длинных оптоволоконных линиях, но ученым удалось использовать ее «в мирных целях» — для компенсации потерь информационного сигнала при его передаче по пассивным оптическим волокнам. За счёт этого информацию можно передавать на большие расстояния (сотни и даже тысячи километров) без промежуточных усилителей сигнала, и эта технология уже активно внедряется в жизнь. Фото В последние годы круг потенциальных применений случайных волоконных лазеров начинает расширяться, но для многих из них требуется сделать лазер компактным. Для этих целей оптимально подходят не пассивные, а активные световоды, сердцевина которых легирована активными ионами (обычно это эрбий или иттербий). Большая концентрация активных ионов позволяет запасти большую энергию и получать лазерную генерацию в относительно коротких и компактных световодах (несколько метров, которые можно свернуть в компактные кольца), что и делается в обычных волоконных лазерах с резонатором на зеркалах. Однако случайную генерацию в активных световодах до сих пор получить не удавалось, так как рэлеевское рассеяние на таком коротком отрезке слишком мало.

Световоды, легированные висмутом, являются новым типом активных сред с уникально широким спектральным диапазоном усиления и генерации (от 1,1 до 1,8 мкм) — они были предложена и активно развиваются в московском НЦВО, в основном для создания сверхширокополосных усилителей для оптоволоконных линий связи. Известно, что повышение концентрации висмута ведёт к его кластеризации (слипанию), поэтому рэлеевское рассеяние в них и длина таких световодов больше, чем у обычных активных световодах, легированных иттербием или эрбием. Однако эти «недостатки» становятся решающим преимуществом в схеме случайной генерации на рэлеевском рассеянии. Вот поэтому новосибирским и московским физикам пришла идея объединить технологии случайных резонаторов на рэлеевском рассеянии и висмутовых волоконных световодов — реализовать случайную генерацию в активном висмутовом световоде.

Фото

В результате такого объединения получился уникальный волоконный лазер. Помимо компактности и простоты схемы, случайный лазер на висмутовом световоде имеет отличные выходные характеристики как по к.п.д. генерации, так и по когерентности генерируемого излучения. Ширина спектра, определяющая длину когерентности, оказалась в 3 раза меньше, чем у обычного лазера с двухзеркальным резонатором в том же световоде. В работе также построена теоретическая модель формирования спектра генерации такого лазера, объясняющая его уникальные свойства. Относительно узкий спектр лазера позволяет эффективно генерировать высшие гармоники и преобразовывать его в видимый и УФ диапазон практически на произвольной длине волны, тем самым создавать новые источники излучения для применений в различных технологиях визуализации, например, в биомедицинской диагностике и лазерных дисплеях, которые используют для освещения лазерное излучение. Особенно важно то, что спектр случайного лазера не имеет характерной для обычных лазеров модовой структуры, что уменьшает влияние спеклов (мерцающих точек), в результате чего изображение становится очень чётким и качественным.