Российские физики определили индексы, позволяющие прогнозировать поведение лазеров
Российские ученые при участии исследователей из НИУ ВШЭ изучили особенности генерации эрбиевых волоконных лазеров и вывели универсальные критические индексы для расчета их характеристик и режима работы. Результаты исследования помогут предсказывать и оптимизировать параметры лазеров для высокоскоростных систем связи, спектроскопии и других областей оптических технологий. Исследование опубликовано в журнале Optics & Laser Technology.
Эрбиевые волоконные лазеры — это устройства, в которых свет генерируется в волокне, содержащем ионы редкоземельного элемента эрбия. Такие лазеры работают на длине волны около 1,5 микрометра и идеально подходят для передачи данных на большие расстояния с минимальными потерями. Излучение на других длинах волн при прохождении через оптоволокно нуждается в усилении каждые 20–30 километров, а излучению эрбиевых лазеров требуется в 2–3 раза меньше усилителей, что снижает затраты на оборудование и эксплуатацию. Кроме того, эрбиевые лазеры способны создавать излучение с узкой спектральной линией (менее 1 кГц), применяемое в высокоточных оптических сенсорах и датчиках.
По мере того как требования к скорости и объему передачи данных растут, возникает необходимость в миниатюризации лазеров и уменьшении длины резонаторов при сохранении их эффективности. Резонатор — часть лазера, состоящая из двух зеркал и отвечающая за усиление света при его многократном прохождении через активную среду.
В зависимости от длины резонатора и концентрации ионов эрбия лазер может работать в разных режимах — импульсном или непрерывном. Основная сложность в том, что при уменьшении размера резонатора необходимо повышать концентрацию ионов эрбия. Это приводит к переходу лазера в импульсный режим, который может вызвать нестабильность передачи данных, ограничение мощности и повышение уровня шумов.
Группа российских ученых при участии физиков из НИУ ВШЭ подготовила два вида активных волокон для семи лазеров и сравнила, как концентрация ионов эрбия (от 0,03 до 0,3%) влияет на параметры лазера. В результате им удалось определить параметры активной среды и накачки, при которых можно одновременно сохранить короткую длину резонатора и обеспечить непрерывное излучение, а также параметры, при которых происходит переход из непрерывного режима в импульсный.
Олег Бутов
«Смена непрерывного режима на импульсный в некотором роде схожа с классическим фазовым переходом, который подчиняется математическим законам и характеризует процессы в других системах, например в жидкостях или твердых телах. Для лазеров с высокой концентрацией ионов эрбия характерны два порога: первый связан с началом генерации в импульсном режиме, а второй — с переходом в непрерывный режим. Эти законы близки к степенным зависимостям и описывают, как параметры лазера меняются вблизи порога генерации», — объясняет Олег Бутов, один из авторов статьи, заместитель директора, руководитель лаборатории волоконно-оптических технологий Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.
Исследователи впервые экспериментально определили критические индексы для эрбиевых лазеров — значения углов наклона логарифмических зависимостей частоты, длительности и амплитуды лазерных импульсов от мощности лазерного излучения.
Александр Смирнов
«Мы определили, что вычисленные зависимости универсальны для эрбиевых лазеров с существенно различающимся составом сердцевины активного световода, длиной и добротностью резонатора (мерой, определяющей отношение запасенной энергии к расходуемой за один период). Результаты позволят предсказывать параметры генерации эрбиевых волоконных лазеров и оптимизировать их работу для различных задач», — рассказывает другой автор статьи, профессор базовой кафедры «Наноэлектроника и фотоника» при Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН факультета физики НИУ ВШЭ Александр Смирнов.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда (№ 20-72-10057).
Вам также может быть интересно:
Российские ученые объединили микродисковый лазер и волновод на одной площадке
Группа российских ученых под руководством Натальи Крыжановской занимается исследованием микродисковых лазеров с активной областью на арсенидных квантовых точках. Впервые исследователям удалось разработать микродисковый лазер, сопряженный с оптическим волноводом, и фотодетектор на одной основе. Такая конструкция позволит реализовать элементарную фотонную схему на одной подложке с источником излучения (микролазером). Это поможет в будущем ускорить передачу данных, уменьшить вес техники без потери качества. Результаты исследования опубликованы в издании «Физика и техника полупроводников».
Ученый НИУ ВШЭ оптимизировал решение задачи по гидродинамике
Доцент департамента прикладной математики МИЭМ НИУ ВШЭ Роман Гайдуков смоделировал движение жидкости вокруг вращающегося диска с малыми неровностями. Разработка делает возможным предсказание поведения потока жидкости без мощных суперкомпьютеров. Результаты опубликованы в журнале Russian Journal of Mathematical Physics.
Сборная Саудовской Аравии, завоевавшая медали на Международной олимпиаде по физике, прошла подготовку в Вышке
На завершившейся недавно в Иране Международной олимпиаде по физике (IPhO 2024) школьники из Саудовской Аравии показали лучший результат в истории страны, завоевав одну серебряную и три бронзовые медали. Заключительную подготовку к соревнованию команда королевства впервые прошла в России — на факультете физики НИУ ВШЭ.
Парные перескоки частиц удержали жидкость Латтинжера от перехода в фазу локализации в беспорядке
Это еще один шаг к созданию квантового компьютера. Ученые из Российского квантового центра, НИУ ВШЭ и МФТИ изучили фазовый переход в одномерных системах с беспорядком в присутствии коррелированного перескока частиц. Работа была опубликована в Physical Review Journals. Она открывает возможности для создания устойчивых одномерных атомных ловушек, квантовых нитей, кристаллов с одномерной проводимостью.
В НИУ ВШЭ научились анализировать качество мобильной связи с помощью физики поверхностей
Ученые МИЭМ ВШЭ разработали новую модель анализа коммуникационных сетей, которая может значительно повысить скорость мобильной связи. Для этого исследователи использовали методы вычислительной физики и модели фазовых переходов. Оказалось, что работа сотовой сети во многом похожа на рост поверхностей в физике. Работа выполнена с использованием суперкомпьютерного комплекса “cHARISMa” НИУ ВШЭ. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Physics.
«Мы можем изменять спины электронов, прикладывая внешнее магнитное поле»
Ученые ВШЭ, МФТИ и Института физики твердого тела РАН совместно с коллегами из Англии, Швейцарии и Китая изучили свойства тонкослойной гетероструктуры «платина — ниобий». Проведенные ими эксперименты и теоретические расчеты подтвердили, что при контакте со сверхпроводником в платине возникает спин, который можно использовать как носитель информации. Платина не обладает собственным магнитным моментом, что в перспективе дает возможность создавать на базе новой структуры еще более миниатюрные чипы, чем в «традиционной» спинтронике. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Микролазеры с квантовыми точками оказались способны работать даже при высоких температурах
Ученые из Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге исследовали, как размер резонатора влияет на температуру работы микродискового лазера с квантовыми точками в режиме двухуровневой генерации. Выяснилось, что микролазеры способны генерировать излучение на нескольких частотах даже при высокой температуре. Это позволит в будущем использовать микролазеры в фотонных интегральных схемах и передавать в два раза больше информации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials.
Атомные часы, квантовые деньги и разноцветные алмазы: как прошел День света на факультете физики ВШЭ
В конце мая факультет физики Вышки впервые организовал День света для студентов и абитуриентов. Его целью стало погружение школьников и учащихся младших курсов в увлекательный мир науки. Ученые ВШЭ рассказывали о распространении света в галактике, демонстрировали волновую теорию света на потолке лекционного зала и опыты с получением флуоресцеина. А студенты старших курсов представили свои исследовательские работы.
Туннельный контакт помог изучить электронную структуру углеродных нанотрубок
Российские физики показали, что можно использовать туннельный контакт для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок. Предложенная технология изготовления туннельного контакта и метод спектроскопии помогут точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок, которая является ключевой характеристикой для разработки любых электронных устройств на их основе. Результаты работы были представлены в журнале Applied Physics Letters.
5 причин учиться на базовой кафедре квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН
Чем молодых физиков привлекает обучение в Вышке? Какие лаборатории ИСАН открыты для будущих профессоров и академиков? Выяснила новостная служба портала.