Fysiker från Warszawa har genererat ultrakorte laserpulser i en optisk fiber, genom att använda en metod som tidigare ansågs vara fysiskt omöjlig att uppnå. Bilden ovan:Jan Szczepanek, en doktorsexamen student från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa, på den innovativa fiberlasern. Upphovsman:IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski
Pulslasrar byggda helt på optiska fibrer används alltmer av industrin. Optiska forskare från Warszawas lasercenter vid Institute of Physical Chemistry vid polska vetenskapsakademien och Fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa har genererat ultrakorte laserpulser i en optisk fiber med en metod som tidigare ansågs vara fysiskt omöjlig. Deras lösning är inte bara användbar, men också förvånansvärt enkelt.
En innovativ fiberlaser har utvecklats vid Laser Center vid Institute of Physical Chemistry vid Polska vetenskapsakademien (IPC PAS) och Fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa. Med hjälp av en enkel lösning, Warszawas optiska forskare har "tvingat" en av typerna av optiska fiberlasrar att generera ultrakort, högenergipulser. Den nya lasern saknar mekaniskt känsliga yttre delar, vilket verkar vara särskilt intressant för framtida applikationer. Uppfinningen påskyndar mycket bearbetningen av material i industriella lasermaskiner.
"Fiberlasrar kan byggas så att alla processer som är viktiga för generering och formning av ultrakortpulserna sker i själva fibern. Sådana anordningar, utan några externa mekaniskt känsliga komponenter, fungera på ett mycket stabilt sätt, och är idealiska för arbete under svåra förhållanden, "säger Dr Yuriy Stepanenko (IPC PAS).
Laserverkan i fibern leder till generering av en kontinuerlig ljusstråle. Frisättningen av energi i kortast möjliga pulser är, dock, mycket gynnsammare, eftersom det betyder en stor maktökning. Pulser genereras i fiberlasrar via ett mättbart absorberingssystem. När ljusintensiteten är låg, absorberaren blockerar ljus; när det är högt, absorberaren släpper igenom den. Eftersom femtosekundpulser har större intensitet än en kontinuerlig stråle, Absorberarens parametrar kan justeras så att den bara tillåter pulser.
"Tills nu, grafenark, bland andra, har använts som mättbara absorberare, i form av ett tunt skikt avsatt på fiberns spets. Men diametrarna för optiska fibrer är i storleksordningen enkla mikron. Även lite energi trångt i ett så litet tvärsnitt har en betydande densitet per ytenhet, påverkar materialets livslängd. Därför, om man försökte öka femtosekundpulsenas effekt, grafen på kopplingens spets förstördes. Andra absorberare, såsom kolnanorör, kan också genomgå nedbrytning, "förklarar Jan Szczepanek, en doktorand från Fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa.
För att generera femtosekundpulser med högre energi i den optiska fibern, Warszawafysikerna bestämde sig för att förbättra mättbara absorberare av en annan typ, via smart användning av optiska fenomen som olinjära effekter som orsakar en förändring av brytningsindex för glas.
En olinjär konstgjord mättningsbar absorber fungerar enligt följande. Polarisationsplanet för lågintensitetsljusstrålen ändras inte i absorbatorn och utgående polarisator blockerar ljuset (bilder längst ner). Med tillräckligt hög intensitet, typisk för femtosekundpulser, planet roterar 90 grader och ljuspulsen passerar genom polarisatorn. Upphovsman:IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski
Elektriska och magnetiska ljusfält pendlar vanligtvis slumpmässigt, ömsesidigt vinkelräta riktningar. När fälten oscillerar hela tiden i samma plan, vågen kallas linjärt polariserad. I klassisk optik, det antas att när en sådan våg passerar genom ett medium, det upplever ett konstant brytningsindex, oavsett ljusintensitet. I olinjär optik är detta annorlunda:Vid en tillräckligt hög ljusintensitet, brytningsindex börjar öka något.
En olinjär konstgjord mättningsbar absorber fungerar enligt följande. Vid ingången, det linjärt polariserade ljuset är uppdelat i en stråle med låg intensitet och en stråle med hög intensitet. Absorberarens medium kan väljas så att båda ljusstrålarna upplever ett något annorlunda brytningsindex för att de ska kunna färdas med något olika (fas) hastigheter. Som ett resultat av hastighetsskillnaden, polarisationsplanet börjar rotera. Vid absorbatorns utgång, det finns ett polarisationsfilter som bara släpper igenom vågor som pendlar vinkelrätt mot polarisationsplanet för det inkommande ljuset. När lasern arbetar i kontinuerligt läge, ljuset i strålen är av relativt låg intensitet, en optisk vägskillnad uppstår inte, polarisationen förändras inte, och utgångsfiltret blockerar ljuset. Med tillräckligt hög intensitet, typisk för femtosekundpulser, Polarisationsrotationen får pulsen att passera genom polarisatorn.
För att den mättbara absorberaren med polarisationsrotation ska fungera, fibern måste ha olika brytningsindex i olika riktningar (så den måste vara dubbelbrytande), och båda indexen bör också vara stabila. Problemet är att i vanliga optiska fibrer, dubbelbrytning sker av misstag, t.ex. på grund av stress orsakad av ett fingerberöring. Lasrar byggda på detta sätt är extremt känsliga för yttre faktorer. I tur och ordning, dubbelbrytning av de polarisationsbevarande fibrerna är så stor att ljuset sprider sig i endast en riktning, och konstruktionen av konstgjorda mättbara absorberare blir fysiskt omöjlig.
"Tvåbrytande optiska fibrer som bibehåller polarisationstillståndet för det inträdande ljuset är redan i produktion. Vi är de första som visar hur de kan användas för att konstruera en mättbar absorberare:Vi skär den optiska fibern i segment av en lämplig längd och återansluter dem, rotera varje på varandra följande segment 90 grader i förhållande till sin föregångare, "säger doktoranden Szczepanek.
"Rotation betyder att om i ett segment en puls med, ska vi säga, vertikal polarisation går långsamt, i nästa, det kommer att springa snabbare och komma ikapp den andra pulsen, polariserad vinkelrätt. Ett enkelt förfarande har därför gjort det möjligt för oss att eliminera det största hindret för att öka energin, det är, den stora skillnaden i hastigheter mellan pulser med olika polariteter, typiskt för alla polarisationsbevarande fibrer, "förklarar Dr Stepanenko.
De mer roterade segmenten finns, desto bättre kvalitet på de pulser som alstras i fibern. I lasern byggd i Warszawas laboratorium, den mättbara absorberaren bestod av en fiber med en längd av cirka 3 m, uppdelad i tre segment, och en filtrerande polarisator. Det potentiella antalet roterade segment kan ökas upp till till och med ett dussin eller så.
Den nya lasern producerar femtosekundpulser av hög kvalitet, och deras energi kan vara upp till 1000 gånger större än normalt för lasrar med materialabsorberare. I jämförelse med enheter med konstgjorda absorberare, lasern tillverkad av forskare i Warszawa har en mycket enklare konstruktion och därför är dess tillförlitlighet betydligt större.
