Импульсы солитонного лазера обеспечивают высокую энергию
Ученые разработали новый тип лазера, который может доставлять большое количество энергии за очень короткие промежутки времени
Ученые разработали новый тип лазера, который может доставлять большое количество энергии за очень короткие промежутки времени, с потенциальным применением в хирургии глаза и сердца или в разработке новых материалов.
«Этот лазер обладает тем свойством, что при уменьшении длительности его импульса до менее чем триллионной доли секунды его энергия может проходить сквозь поверхность» — говорит директор Института фотоники и оптических наук Сиднейского университета, профессор Мартейн де Стерке.
«Это делает его идеальным кандидатом для обработки материалов, требующих коротких, мощных импульсов. Одним из применений может быть хирургия роговицы, которая основывается на осторожном удалении материала из глаза. Это требует сильных коротких световых импульсов, которые не нагревают и не повреждают поверхность».
Ученые достигли этого замечательного результата, вернувшись к простой лазерной технологии, которая широко распространена в телекоммуникациях, метрологии и спектроскопии. Эти лазеры используют эффект, известный как солитонные волны, которые представляют собой волны света, которые сохраняют свою форму на больших расстояниях.
Солитоны были впервые обнаружены в начале 19-го века не в свете, а в волнах воды в промышленных каналах Англии.
«Тот факт, что солитонные волны в свете сохраняют свою форму, означает, что они превосходны для широкого спектра применений, включая телекоммуникации и спектрометрию», — говорят ученые.
«Однако, в то время как лазеры, производящие эти солитоны, просты в изготовлении, они не дают большого эффекта. Для производства высокоэнергетических оптических импульсов, используемых в производстве, требуется совершенно другая и дорогая физическая система».
Это исследование основано на более ранних работах, созданных командой Института фотоники и оптических наук Сиднейского университета, который опубликовал свое открытие квартовых солитонов в 2016 году.
В обычном солитонном лазере энергия света обратно пропорциональна его длительности, что подтверждается уравнением E = 1 / τ. Если вы вдвое уменьшите время импульса света, вы получите вдвое больше энергии.
При использовании квартовых солитонов энергия света обратно пропорциональна третьей степени длительности импульса, или E = 1 / τ3. Это означает, что если время вашего импульса уменьшается вдвое, энергия, которую он выдает за это время, умножается в восемь раз.
«Именно эта демонстрация нового закона в лазерной физике является наиболее важной в наших исследованиях», — говорят ученые. «Мы показали, что E = 1 / τ3, и мы надеемся, что это изменит способ применения лазеров в будущем».
Доказательство этого принципа позволит создавать более мощные солитонные лазеры.
«В этом исследовании мы производили импульсы с точностью до триллионной доли секунды, но наша следующая цель — генерировать импульсы фемтосекундной длительности — одну квадриллионную секунды», — говорят исследователи. «Это будет означать ультракороткие лазерные импульсы с пиковой мощностью в сотни киловатт».
«Мы надеемся, что этот тип лазера может открыть новый способ применения лазерного света, когда нам нужна высокая пиковая энергия, но где основной материал остается не поврежденным».
The pure-quartic soliton laser, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-0629-6 , www.nature.com/articles/s41566-020-0629-6