Две группы ученых из Санкт-Петербурга (Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и СПбГУ) и Москвы (МФТИ и Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В. Г. Мокерова) объединись, чтобы теоретически изучить возможность получения коротких импульсов за счет когерентной синхронизации мод квантово-каскадного лазера с малыми временами релаксации. Это исследование открывает новые горизонты в области сверхбыстрой оптики. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics B.
«Создание квантово-каскадных лазеров с синхронизацией мод позволит существенно расширить спектр применений наших лазеров от оптической спектроскопии и метрологии до измерений, проводимых с помощью атомных часов. В частности, генерация последовательности ультракоротких импульсов может быть использована для терагерцовой спектроскопии во временной области, позволяющей исследовать оптические свойства и сверхбыструю динамику носителей заряда в различных средах», — рассказал Рустам Хабибуллин, заведующий лабораторией квантово-каскадных лазеров МФТИ
Квантово-каскадные лазеры с синхронизацией мод применимы в широком диапазоне областей от оптической спектроскопии и метрологии до измерений, проводимых с помощью атомных часов. Российские ученые провели теоретическое исследование возможности создания описанного лазера. Для этого они разработали математическую модель двухсекционного лазера, помещенного в кольцевой резонатор. На примере данной системы они изучили генерацию лазерных импульсов в терагерцовой и инфракрасной области.
Лазеры называются двухсекционными поскольку имеют секции с усиливающей и поглощающей средой. В усиливающей секции происходит генерация и усиление лазерного излучения. Поглощающая среда позволяет регулировать параметры лазерного излучения, например, мощность, частоту или фазу.
«В двухсекционных лазерах можно создать режим пассивной синхронизации мод, благодаря которому формируются ультракороткие импульсы без внешнего управления. Получение ультракоротких лазерных импульсов связано с явлением самоиндуцированной прозрачности, открытым Мак-Колом и Ханом. Суть явления заключается в том, что короткий импульс, длительность которого меньше времени поляризации среды, может распространяться в ней без потерь. Время релаксации поляризации — время, за которое система возвращается к исходной поляризации после внешнего воздействия в данном случае светового импульса. Режим когерентной синхронизации мод — режим пассивной синхронизации мод, образовавшийся из-за явления самоиндуцированной прозрачности. В режиме когерентной синхронизации мод длительность лазерного импульса, как правило, короче времени релаксации поляризации усиливающей и поглощающей среды», — пояснил Ростислав Архипов, старший научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН.
Схематичное изображение модели лазера. 1—4 зеркала кольцевого резонатора, absorber — поглощающая среда, gain medium — усиливающая среда. Источник: журнал Applied Physics B.
«Мы теоретически исследовали работу лазеров с быстрыми временами релаксации поглотителя и усиливающей секции на предмет возникновения когерентной синхронизации мод. Благодаря такому виду синхронизации возможна генерация ультракоротких импульсов лазерного излучения, по длительности составляющих вплоть до одного или половины периода колебаний излучения лазера. В качестве конкретных примеров лазеров с быстрыми временами релаксации были рассмотрены квантово-каскадные лазеры терагерцового (ТГц) и среднего ИК-диапазонов. Также отмечу, что для усиливающей среды с параметрами, характерными для ТГц квантово-каскадного лазера, когерентная синхронизация мод была изучена теоретически впервые», — поделился Богдан Жмудь, аспирант лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ.
Физики рассчитали три примера генерации сверхкоротких импульсов в терагерцовом (ТГц) и два в среднем ИК-диапазоне. Для всех случаев решение системы уравнений Максвелла—Блоха показало последовательность одинаковых коротких импульсов с постоянной частотой. Кроме того, в каждом случае полуширина импульса была меньше времени релаксации поляризации, что характерно для когерентной синхронизации мод.
На примере генерации импульсов в ТГц-диапазоне результаты показали возможность формирования пикосекундных импульсов. Спектральная ширина импульса составляет 1,63 пс. Физикам удалось получить одномодовый режим работы лазера, при котором происходит излучение импульса одной частоты за время полного обхода лазера. Это время, которое необходимо пройти световому импульсу по всему пути внутри резонатора, возвратившись в исходную точку.
Еще были были получены результаты генерации лазерных импульсов в ИК-диапазоне для двух случаев, основное отличие которых заключалось в небольшой разнице времени релаксации инверсии. Это время, за которое система возвращается в термодинамическое равновесие после внешнего воздействия. Оказалось, что небольшое различие приводит к значительной разнице между длительностью импульсов. Расчет показал, что длительность импульса составляет 1,72 пс и 0,28 пс для большего и меньшего значения времени инверсии соответственно. Более того, в случае более длительного импульса режим работы лазера соответствует одномодовому режиму, а короткого — двухмодовому, т. е. происходит генерация двух импульсов разной частоты за время полного обхода лазера. Таким образом, за счет небольшого изменения времени релаксации инверсии можно менять режим работы лазера.
(1) — интенсивность излучения лазера во времени при генерации терагерцовых импульсов; (2) — интенсивность излучения лазера во времени при генерации ИК импульсов с большим временем релаксации инверсии; (3) — интенсивность излучения лазера во времени при генерации ИК-импульсов с меньшим временем релаксации инверсии. Источник: журнал Applied Physics B.
«Наши расчеты показали, что генерация устанавливается даже при относительно небольшом начальном значении поля в резонаторе (соответствующем спонтанному шуму), иными словами, лазер в данной конфигурации самозапускается», — объяснил Рустам Хабибуллин.
Также ученые проверили влияние расстройки на режим генерации лазера. Расстройка — это разница между собственной частотой системы и частотой внешнего воздействия. Введение этого параметра в систему уравнений привело к образованию трехмодового режима генерации лазера. В таком режиме работы лазера происходит возбуждение трех независимых частот, которые могут взаимодействовать друг с другом.
«При учете расстройки мы получили генерацию в виде серий импульсных пачек, каждая из которых длится примерно 140 пс и содержит 40—45 отдельных импульсов, что отчетливо видно после отметки 1,6 нс. Их длительность составляет около 0,5 пс», — рассказал Рустам Хабибуллин.
Влияние расстройки на интенсивность излучения лазера. Источник: журнал Applied Physics B.
Результаты демонстрируют возможность реализации самозапускающихся когерентно синхронизированных мод в квантово-каскадных лазерах для среднего ИК и ТГц-диапазонов.
«В настоящее время мы работаем над сокращением длительности импульсов вплоть до половины цикла колебания. Это нужно для получение так называемых униполярных, полуцикловых импульсов, имеющих мощную полуволну поля одной полярности. Они существенно отличаются от привычных всем многоцикловых импульсов, состоящих из нескольких полуволн поля. Такие импульсы могут эффективно применяться для сверхбыстрого и эффективного возбуждения квантовых систем (атомов, молекул, наноразмерных структур), голографии со сверхвысоким временным разрешением, созданием высокодобротных микрорезонаторов, размер которых может достигать несколько десятков нанометров и много других интересных приложений. Физика взаимодействия таких импульсов со средами сильно отличается от случая привычных многоцикловых импульсов. Оно происходит по другим сценариям. Требуется вводить новые понятия и физические величины. Исследования в этих направлениях активно проводятся нами в настоящий момент», — рассказал Ростислав Архипов.
Группа из Москвы внесла вклад своими практическими знаниями, группа из Санкт-Петербурга занималась моделированием и обработкой данных. В работе принимали участие ученые из МФТИ, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (группа академика РАН Н. Н. Розанова), СПбГУ, Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В. Г. Мокерова.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (24-49-10004), работа группы из СПб поддержана фондом «Базис» (0040-2019-0017).
