Ryska fysiker har utvecklat en metod för att drastiskt minska emissionsspektrumet för en vanlig diodlaser, sådär i en laserpekare. Detta gör deras enhet till en användbar ersättning för de mer komplexa och dyra enfrekvenslasrarna, möjliggör skapandet av kompakta kemiska analysatorer som kan passa in i smartphones, billiga lidarer för självkörande bilar, samt säkerhets- och strukturella hälsoövervakningssystem på broar, gasledningar och på annat håll. Studien publicerades 26 oktober in Nature Photonics och var medförfattare av forskare från Russian Quantum Center (RQC), Moskvas institut för fysik och teknik (MIPT), Lomonosov Moscow State University (MSU), och Samsung R&D Institute Ryssland.

"Detta arbete har två huvudsakliga resultat, "sa tidningens huvudförfattare, RQC:s vetenskapliga chef Michael Gorodetsky, som också är MSU-professor. "Först, det tjänar till att visa att du kan göra en billig laser med smal linjebredd som är enkelfrekvens men ändå mycket effektiv och kompakt. För det andra, samma system med praktiskt taget inga modifieringar kan användas för att generera optiska frekvenskammar. Det kan alltså vara kärnkomponenten i en spektroskopisk kemisk analysator."

Tillämpningarna av lasrar är många. Bland dem är ögonlaserkirurgi, lasersikte och fiberoptisk kommunikation. En av de viktigaste användningsområdena för laser är spektroskopi, som mäter den exakta kemiska sammansättningen av praktiskt taget vad som helst.

Den så kallade optiska frekvenskamtekniken ligger till grund för laserbaserad spektroskopi, banbrytande av 2005 års Nobelpristagare i fysik, John Hall från USA och Theodor Hänsch från Tyskland. De två utvecklade en laseranordning som genererar optisk strålning vid 1 miljon extremt stabila frekvenser. Strålningen i förstärkningsmediet hos sådana lasrar "studsar" mellan speglar och sänds slutligen ut som ett kontinuerligt tåg av korta ljuspulser av en miljon olika färger. Varje puls varar bara femtosekunder – miljondelar av en miljarddels sekund. Emissionsspektrumet för en sådan laser består av ett stort antal jämnt fördelade smala spektrallinjer, den optiska kammens "tänder".

En optisk laserfrekvenskam kan användas som en "linjal" för att noggrant mäta ljusets frekvens och därför göra exakta spektrometriska mätningar. Andra applikationer inkluderar satellitnavigering, exakt tid dataöverföring, och den radiella hastighetsmetoden för att detektera extrasolära planeter.

Forskarna hittade ett enklare sätt att generera frekvenskammar, som förlitar sig på optiska mikroresonatorer. Dessa är ring- eller skivformade transparenta komponenter. På grund av deras material är olinjäritet, de omvandlar pumplaserstrålning till en frekvenskam, även kallad mikrokam.

"Optiska mikroresonatorer med viskande gallerilägen föreslogs först vid MSU:s fysikfakultet 1989. De erbjuder en unik kombination av submillimeterstorlek och en oerhört hög kvalitetsfaktor, " förklarade studiens medförfattare, MIPT doktorand Nikolay Pavlov. "Mikroresonatorer öppnar vägen för att generera optiska kammar i ett kompakt utrymme och utan att använda mycket energi."

Inte vilken laser som helst kan användas för att pumpa optiska frekvenskammar i en mikroresonator. Lasern måste vara både kraftfull och monokromatisk. Det senare innebär att ljuset den avger måste falla in i ett mycket smalt frekvensband. De vanligaste lasrarna idag är diodlasrar. Även om de är kompakta och bekväma, i spektroskopi, de saknar mer komplexa och dyra enheter. Anledningen är att diodlasrar inte är tillräckligt monokromatiska:Strålningen de avger "smetad" över ett 10 nanometers band.

"För att begränsa linjebredden på en diodlaser, den stabiliseras vanligtvis med hjälp av en extern resonator eller ett diffraktionsgitter, " förklarade Gorodetsky. "Detta minskar linjebredden, men kostnaden är en kraftig minskning av kraften, och enheten är inte längre billig, den är inte heller kompakt."

Forskarna hittade en enkel och elegant lösning på problemet. För att göra laserljus mer monokromatiskt, de använde själva mikroresonatorerna som genererar optiska frekvenskammar. På så sätt lyckades de behålla nästan samma laserkraft och storlek – mikroresonatorn är bara millimeter tvärs över – samtidigt som de ökade monokromaticiteten med en faktor på nästan 1 miljard. Det är, överföringsbandet minskas till attometrar – miljarddelar av en miljarddels meter – och en optisk frekvenskam genereras, om så krävs.

"Från och med nu, kompakta och billiga diodlasrar finns tillgängliga för nästan hela det optiska spektrumet, " tillade Pavlov. "Men, deras naturliga linjebredd och stabilitet är otillräcklig för många framtida uppgifter. I det här pappret, vi visar att det är möjligt att effektivt begränsa det breda spektrumet av kraftfulla multifrekventa diodlasrar, nästan utan kostnad för makten. Tekniken vi använder innebär att använda en mikroresonator som en extern resonator för att låsa laserdiodens frekvens. I detta system, mikroresonatorn kan både minska linjebredden och generera den optiska frekvenskammen."

Den föreslagna designen har många möjliga tillämpningar. En av dem är inom telekommunikation, där det skulle avsevärt förbättra bandbredden för fiberoptiska nätverk genom att öka antalet kanaler. En annan sfär som skulle gynnas är designen av sensorer, såsom reflektometrar som används som grund för säkerhets- och övervakningssystem. Till exempel, om en fiberoptisk kabel går längs en bro eller en oljeledning, ljuset i kabeln kommer att reagera på de minsta störningar eller variationer i objektets geometri, identifiera potentiella problem.

Enkelfrekvenslasrar kan användas i lidarer, eller optiska radar, som är installerade på självkörande bilar, bland annat användningsområde. Till sist, tekniken möjliggör mycket exakta analysatorer, som de som mäter luftens sammansättning eller kör medicinsk diagnostik, som kan integreras i smartphones eller klockor.

"Efterfrågan på sådana lasrar skulle vara riktigt hög, sa Gorodetsky.

Fysikern påpekade också att alla författare till uppsatsen är ryska forskare, vilket är ett ganska sällsynt tillfälle för publicering i en så högt uppsatt tidskrift.