Ученые из МФТИ и Института общей физики имени А. М. Прохорова показали, как изменение поглощения специальных материалов внутри лазера влияет на режим генерации ультракоротких импульсов. Это исследование актуально для развития таких лазеров, которые активно используются в метрологии, медицине и квантовых вычислениях. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.
Ультракороткие импульсные лазеры генерируют импульсы длительностью от фемтосекунд до пикосекунд. Чаще всего такие лазеры применяются для точной обработки материалов, спектроскопии и медицины.
Ученые создали эрбиевый волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод. Это значит, что он генерирует ультракороткие импульсы с помощью специальных элементов внутри резонатора — насыщаемых поглотителей. В исследовании использовались два типа поглотителей — одностенные углеродные нанотрубки: чистые и допированные нитридом бора. Такие поглотители имеют преимущества благодаря широкой полосе поглощения и низким потерям.
Ученые впервые изучили поведение оптического пропускания насыщаемых поглотителей внутри резонатора. Они исследовали то, как характеристики поглотителя, а именно углеродных нанотрубок, влияют на режим работы лазера. Для этого они разработали специальную экспериментальную установку. Сначала синтезировали чистые и допированные одностенные углеродные нанотрубки и измерили их свойства вне лазера, пропускание и энергию насыщения. Далее эти поглотители были встроены в кольцевой эрбиевый волоконный лазер.
Рисунок. Экспериментальная установка кольцевого полностью волоконного эрбиевого лазера. Источник: Optics and Laser Technology
В случае допированных нанотрубок исследователи получили стабильные солитоны (399 фс) — импульсы, сохраняющие форму и скорость при распространении в среде с аномальной дисперсией. Такие импульсы активно используются в телекоммуникациях и метрологии.
При повышении мощности накачки в лазере наблюдалась гармоническая синхронизация мод с двумя импульсами за каждый проход света внутри резонатора. Это возможно благодаря короткому времени релаксации в допированных нанотрубках (380 фс). Такой режим актуален в телекоммуникациях для увеличения пропускной способности. В области нормальной дисперсии резонатора физики получили режим диссипативных солитонов — растянутых по времени импульсов с длительностью (13,2 пс). Такая генерация возможна только на основе допированных нанотрубок за счет их низких потерь.
Ученые показали, что в чистых углеродных нанотрубках увеличение энергии солитона приводит к режимам с несколькими импульсами, в которых они сохраняют фазовую синхронизацию, например векторные солитоны или солитонные молекулы (группы связанных солитонов). Это может найти применение при разработке источников квантовых состояний света, где требуется высокая степень когерентности в импульсах. Такая генерация происходит из-за того, что чистые нанотрубки обладают долгим временем релаксации (600 фс), что позволяет им пропускать больше энергии за каждый цикл работы.
«Одним из неожиданных результатов стала генерация солитонных молекул на основе чистых трубок с управляемым числом импульсов в молекуле от двух до пяти импульсов. Это перспективный и относительно новый режим, в котором проявляются уникальные свойства когерентности между импульсами»,— поделился Алмикдад Исмаил, инженер лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.
Ученые показали, что легирование нитридом бора улучшает поглощение нанотрубок на рабочей длине волны резонатора. Это приводит к увеличению глубины модуляции их насыщения (разнице в пропускании до и после насыщения) и уменьшению времени релаксации, а это, в свою очередь, улучшает характеристики импульсов.
Чистые же углеродные нанотрубки можно использовать для генерации групп связанных солитонов с контролируемым числом импульсов. Также физики нашли связь между характеристиками одностенных углеродных нанотрубок и режимами генерации ультракоротких импульсов, что позволит оптимизировать работу лазера для различных приложений.
«Создание насыщаемых поглотителей на основе углеродных нанотрубок с уникальными характеристиками — актуальная задача для генерации ультракоротких импульсов в лазерах с синхронизацией мод. Допированные нитридом бора нанотрубки обладают оптическими свойствами, подходящими для стабильной одноимпульсной генерации в режимах солитонов и диссипативных солитонов, что часто требуется в области телекоммуникаций. А для получения когерентной многоимпульсной генерации в виде групп связанных импульсов лучше использовать чистые углеродные нанотрубки»,— пояснила Елена Образцова, заведующая лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.
Научная статья: Almikdad Ismaeel, Alexander A. Krylov, Elena. D. Obraztsova; Intra-cavity dynamics of single-walled carbon nanotubes as the key parameter for regime selection in ultrashort-pulse erbium-doped fiber lasers; Optics & Laser Technology, Volume 192, Part B, 2025. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113658.
