Физики наконец разгадали тайну «дышащих» лазеров

Международная группа исследователей, включая ученых из Университета Астона, разработала новую математическую модель, объясняющую загадочное поведение так называемых «дышащих» лазерных импульсов. Это открытие впервые объединяет два совершенно разных типа лазерной динамики в рамках единой теории.

Сверхбыстрые лазеры генерируют невероятно короткие вспышки света, длящиеся всего пико- или фемтосекунды. Они широко применяются в таких областях, как офтальмология, биомедицинская визуализация, высокоточное производство и обработка материалов. Понимание механизмов работы этих лазеров поможет ученым повысить их стабильность и адаптировать для решения специализированных задач.

Внутри сверхбыстрого лазера импульсы света многократно проходят через структуру, называемую лазерным резонатором. При определенных условиях эти импульсы формируют стабильные волновые пакеты — солитоны. В отличие от обычных импульсов, которые постепенно расплываются, солитоны сохраняют свою форму при движении.

В большинстве случаев солитоны ведут себя предсказуемо, генерируя регулярные импульсы, похожие на сердцебиение. Однако в «дышащих» лазерах импульсы постоянно меняются: они многократно увеличиваются и уменьшаются за время прохождения через резонатор, создавая ритмичные колебания, напоминающие дыхание. Это неравновесное состояние, при котором выходная мощность лазера постоянно эволюционирует.

Два типа лазерного «дыхания»

Предыдущие эксперименты выявили две различные формы такого поведения. Когда лазер работает выше порога мощности, необходимого для поддержания импульса, солитоны колеблются быстро, и цикл «дыхания» повторяется всего за несколько проходов по резонатору. Ниже порога поведение становится значительно более медленным: солитонам могут потребоваться сотни или даже тысячи проходов для завершения одного цикла.

Ранее для объяснения этих режимов ученые использовали две разные математические модели. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, показывает, что оба типа поведения можно описать в рамках единого подхода.

Единое объяснение сложной лазерной динамики

Исследователи создали пересмотренную модель, объединяющую два ключевых фактора: быструю эволюцию света внутри резонатора и медленные изменения в источнике энергии лазера. Учет обоих процессов одновременно позволил команде продемонстрировать, что две формы «дыхания» — не отдельные явления, а следствия связанной физики.

Доктор Соня Босколо из Института фотонных технологий Астона пояснила:

«Солитоны, «дышащие» выше и ниже порога, демонстрируют заметно разное поведение. Надпороговые осциллируют быстро и могут синхронизироваться с резонатором, создавая гребенчатые радиочастотные спектры. Подпороговые эволюционируют гораздо медленнее, производя плотные кластеры радиочастотных спектров. Наша новая симуляция точно предсказывает как быстрые, так и медленные циклы за один раз, что ранее считалось невозможным с помощью единой модели. Это открытие закрывает давний пробел в лазерной науке и предоставляет жизненно важный инструмент для проектирования следующего поколения световых технологий».

Будущее применение сверхбыстрых лазеров

Исследователи полагают, что новая модель станет важным инструментом для инженеров, разрабатывающих будущие оптические системы. По мере роста спроса на более мощные и надежные лазерные технологии, модель поможет эффективнее прогнозировать сложное поведение лазеров без использования нескольких разрозненных симуляций. Команда надеется, что работа послужит практическим руководством для создания сверхбыстрых лазеров нового поколения, используемых в медицине, визуализации, производстве и других передовых технологиях.