Волоконный лазер поставил рекорд мощности в среднем ИК-диапазоне

Многие обыденные молекулы углеводородов поглощают свет в средней части инфракрасного диапазона — и это часто делает их кандидатами в рабочие среды лазеров, излучающих в данной части спектра. Список их применения широк — от медицинской диагностики по регистрации тех или иных веществ в выдыхаемых больным газах до пресловутой, но пока далёкой от внедрения системы идентификации пьяных водителей.

...Так вот, сдаётся нам, науке удалось сделать большой шаг вперёд на этом пути.

Пользу такого рода методов трудно отрицать. Ацетон, к примеру, характеризует дыхание диабетиков, а формальдегид может выдать рак груди на ранних стадиях, в то время как варьирующиеся концентрации карбонилсульфида — подсказать состояние печени.

Лазеры в средней части ИК-диапазона — надежда хирургии, поскольку они дают меньше рассеивания на тканях и тем самым меньше повреждают области рядом с надрезом. Ну и, конечно, не забудем любимые человечеством развлечения вроде убийства себе подобных: военные тоже мечтают об эффективных системах в этом диапазоне — от подсветки целей ночью до ослепления ракет с ИК-наведением.

Но пока это скорее лишь потенциальные возможности: лазеры для этой части спектра на кристаллах громоздки и дороги, а волоконные могут быть либо на кварце, довольно мутном в среднем ИК-диапазоне, либо на фториде циркония — и уже из этих двух слов очевидно, отчего это не самый практичный вариант...

Кроме того, переходы, ведущие к испусканию фотонов в ионах редкоземельных элементов, много выше основного состояния — то есть между длиной волны испускаемого лазером света и светом накачки есть большая разница. И общая эффективность от этого сильно страдает.

К тому же, войдя в возбуждённое состояние, ион из него долго и плохо выходит, что может остановить генерацию излучения вообще (об испускании следующего фотона до смены энергетического уровня говорить затруднительно) или ещё сильнее уронить её эффективность.

Физики из Аделаидского университета (Австралия) во главе с Ори Хендерсоном-Сапиром (Ori Henderson-Sapir) попробовали применить двойную накачку таких лазеров. Первая, не очень энергичная, переводит ионы в долгоживущее низкоэнергетическое возбуждённое состояние. И лишь вторая накачка поднимает ион на более высокий энергетический уровень, в котором он пребывает недолго, но выдаёт нужное по длине волны излучение.

Преимущество этой схемы в том, что, когда ионы после испускания нужного фотона возвращаются в состояние с меньшей энергией (как после первой накачки), они уже готовы к немедленному возбуждению до второй ступени. В итоге в ходе первого же эксперимента был создан волоконный лазер, дающий излучение в 0,26 Вт на длине волны в 3,5 мкм. Не впечатляет? Зря, ведь это мощнейший волоконный лазер, работающий при комнатной температуре без использования нелинейных эффектов, а заодно ещё и чемпион по длине волны для лазеров, действующих в таких условиях.

Если ранее эффективность лазеров, функционировавших в средней части ИК-диапазона, не превышала 3%, то на этот раз удалось достичь 18%, причём без заметного удорожания и усложнения схемы. Впрочем, мы не очень точно выразились: по сути, произошло её удешевление. Дело в том, что два применённых средства накачки стоили меньше, чем одно традиционное, так как каждое из них имело значительно меньшую мощность.

К стандартной схеме лазера в среднем ИК-диапазоне (внизу) исследователи добавили второй источник накачки, причём два новых оказались дешевле одного стандартного, излучающего на 655 нм. (Иллюстрация University of Arizona.)

Хотя пока мощность лазера достаточна лишь для диагностического применения в медицине и маловата для военных нужд или лазерной хирургии, свойственная волоконным лазерам масштабируемость даёт основания полагать, что уже в ближайшие годы двойная накачка выведет их на эффективный уровень в названных областях.

Чтобы дополнительно упростить диагностическое использование своего устройства, исследователи работают сейчас над его настраиваемостью, намереваясь достичь управляемого изменения длины излучаемой волны в диапазоне 3,3–3,8 мкм, что позволит обнаруживать разные молекулы — индикаторы заболеваний одним и тем же прибором.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Optics Letters.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.