Ультракороткие (или ультрабыстрые) лазеры генерируют сверхкороткие вспышки света длительностью всего пикосекунды или фемтосекунды. Такие импульсы используют в лазерной коррекции зрения, биомедицинской визуализации, высокоточной обработке материалов и в микропроизводстве. Внутри лазера свет многократно циркулирует по замкнутому пути — лазерному резонатору. В определенных условиях в нем возникают солитоны — устойчивые «пакеты» света, которые, в отличие от обычных импульсов, не расплываются при распространении.
Чаще всего солитоны ведут себя стабильно и выдают равномерную очередность импульсов, похожих на сердечный ритм. Но в некоторых режимах лазер словно бы «дышит»: солитоны многократно растут и сжимаются при последовательных проходах через резонатор, создавая ритмичную осцилляцию, напоминающую дыхание.
Экспериментально известно, что существует два очень разных типа такого «дыхания». Выше порога — минимальной мощности, при которой лазер еще может поддерживать импульсы, — солитоны колеблются быстро: цикл «вдох-выдох» занимает всего несколько проходов резонатора. Ниже порога поведение становится намного медленнее — для одного цикла могут потребоваться сотни или даже тысячи проходов.
До сих пор физики описывали эти два режима разными математическими моделями, считая их по сути разными явлениями. В новой работе специалистов Института фотонных технологий Университета Астона, показано, что оба типа дыхания можно объяснить в рамках одной дискретной модели, если учесть сразу два временных масштаба: быструю эволюцию света в резонаторе и более медленную динамику усиления в активной среде лазера.
Численное моделирование воспроизвело все ключевые экспериментальные особенности. Оказалось, что медленное дыхание ниже порога возникает из сочетания Q‑переключения (медленных перепадов усиления и потерь) с формированием солитона. Быстрые же колебания выше порога определяются, в основном, нелинейным эффектом Керра и дисперсией в оптическом волокне. При этом одна и та же модель корректно описывает и быстрые, «зафиксированные» на резонаторе колебания с гребенчатым радиочастотным спектром и боковыми полосами в оптическом спектре, и медленные режимы с плотными, но «несоизмеримыми» радиочастотными линиями и без оптических боковых полос.
Авторы работы считают, что этот единый подход закрывает давний пробел в теории лазеров и дает ценный практический инструмент для конструкторов. Понимая, какие механизмы стоят за различными типами «дыхания», инженеры смогут точнее предсказывать сложные режимы работы лазеров и целенаправленно проектировать стабильные, но в то же время настраиваемые источники света. Это важно для развития следующего поколения ультрабыстрых лазеров для медицины, микроскопии, телекоммуникаций и высокоточной промышленной обработки.
Ранее ученые создали сверххолодное квантовое устройство может стать основой для фононных лазеров.
Источник: hi-tech.mail.ru