Исследователи демонстрируют излучение сверхкоротких фемтосекундных импульсов от квантового каскадного лазера
Первая демонстрация прямого излучения фемтосекундных импульсов квантово-каскадного лазера в среднем инфракрасном диапазоне прокладывает путь к новым применениям ультракоротких лазерных импульсов. Лазеры, излучающие свет не непрерывным лучом, а чрезвычайно короткими вспышками — обычно пикосекундной (10–12 с) длительности или короче, — изменили различные области науки и техники, от изучения атомных и молекулярных процессов в «сверхбыстрых» временных масштабах до точная доставка высококонцентрированного количества энергии для обработки материалов и хирургии глаза. В настоящее время существует универсальный лазер для многих таких применений в диапазоне частот от видимого до ближнего инфракрасного. Напротив, устройства на более низких частотах часто ограничены относительно большой длительностью импульса и низкой пиковой мощностью и требуют сложной громоздкой аппаратуры.
Сейчас это может измениться благодаря успехам группы профессора Жерома Фаиста из Института квантовой электроники. Название исследования «Фемтосекундные импульсы от квантового каскадного лазера среднего инфракрасного диапазона» опубликовано в журнале Nature Photonics. Они впервые демонстрируют генерацию мощных фемтосекундных (10–15 с) импульсов в среднем инфракрасном диапазоне. Эта полоса частот представляет большой практический интерес, поскольку она связана с растяжением, вибрацией и вращением широкого круга молекул — за что она получила название «область молекулярного отпечатка пальца».
Расширение области квантовых каскадных лазеров
В своих экспериментах команда ETH использовала квантовые каскадные лазеры (QCL) — тип лазера, впервые реализованный в 1994 году группой под руководством Фаиста из Bell Laboratories в США. С тех пор ККЛ позволили провести множество фундаментальных исследований и практических приложений, в частности, в среднем инфракрасном диапазоне (25–100 ТГц). Однако ультракороткие импульсы до сих пор не входили в набор инструментов, предоставляемых ККЛ. Это был важный пробел, учитывая, что QCL напрямую генерируют среднее инфракрасное излучение. То есть они не полагаются, как другие типы источников света среднего инфракрасного диапазона, на преобразование света с более высоких частот на более низкие, что обычно является неэффективным процессом, который ограничивает уровни мощности, которые могут быть достигнуты.
Основным узким местом для генерации сверхбыстрых импульсов с помощью ККЛ является то, что быстрая динамика активной среды внутри резонатора, где формируется лазерный импульс, препятствует накоплению мощных импульсов. Есть способы обойти это ограничение, но импульсы, генерируемые QCL среднего ИК-диапазона, до сих пор ограничивались пикосекундной длиной и субваттной мощностью, что ограничивало их применимость. Теперь аспирант Филипп Тэшлер и его коллеги из группы Faist аккуратно объединили несколько техник. Более того, они использовали недавние экспериментальные и теоретические открытия, касающиеся фазового поведения последовательности импульсов, излучаемых ККЛ, известных как частотные гребенки. Приняв во внимание эти новые идеи, они поняли, что для решения поставленной задачи можно использовать хорошо зарекомендовавшие себя методы сжатия импульсов вне резонатора. Это оказалось ключом к генерации мощных ультракоротких импульсов в среднем инфракрасном диапазоне.
Короче и мощнее
Они также разработали новую технику оптических выборок для характеристики этих вспышек света, заверив их в том, что им действительно удается перевести импульсы среднего инфракрасного диапазона в новый режим. И это именно то, что они сделали. Команда произвела импульсы длиной до 630 фемтосекунд — в пять раз короче, чем современные — и с пиковой мощностью 4,5 Вт, что примерно в десять раз выше, чем то, что было достигнуто ранее. Эти длины импульсов близки к нижнему пределу того, что принципиально возможно для данной оптической полосы пропускания. Но с источниками с более широкой полосой пропускания они ожидают, что 300-фемтосекундные импульсы находятся в пределах досягаемости. Точно так же дальнейшие улучшения могут увеличить пиковую мощность примерно до 100 Вт. Это открывает перспективы для прямого и мощного источника, охватывающего весь средний инфракрасный спектр.
Это блестящие перспективы, тем более что ККЛ — это компактные источники света, которые можно интегрировать в микросхемы. Таким образом, продвижение Тэшлера и его коллег обещает открыть практические пути доступа к сверхбыстрой динамике в области молекулярных отпечатков пальцев. С фундаментальной точки зрения, высокие пиковые мощности также должны позволить новый класс экспериментов с использованием нелинейных эффектов, что, в свою очередь, может привести к новым возможностям в прецизионных измерениях.
