Одна из самых важных областей применения лазеров — спектроскопия, то есть высокоточные измерения химического состава объектов. Главную роль в ней играют так называемые оптические гребенки — лазерные устройства, генерирующие оптическое излучение с миллионом крайне стабильных частот. В активной среде лазера излучение «билось» между зеркалами, а наружу выходила «очередь» фемтосекундных импульсов света, спектр которой похож на расческу, то есть представляет собой множество узких спектральных линий, разделенных одинаковыми промежутками, которые соответствуют частоте повторения импульсов. С помощью излучения с такими свойствами можно с высокой точностью измерять оптические частоты, то есть проводить прецизионные спектроскопические измерения. Лазерные частотные гребенки можно также использовать для систем спутниковой навигации, для технологий передачи данных о точном времени, и даже в астрофизике — для поиска экзопланет методом лучевых скоростей.
Впоследствии оказалось, что еще проще генерировать такие гребенки с помощью микрорезонаторов — колец или дисков из прозрачных материалов, в которых излучение лазера из-за нелинейности материала превращается в частотную гребенку. Однако на роль источника для создания оптических гребенок подходит не любой лазер. Во-первых, он должен быть достаточно мощным, а во-вторых, достаточно монохроматичным, то есть его излучение должно располагаться в очень узкой полосе частот. Сегодня самые распространенные и самые дешевые лазеры — диодные. Однако компактные и удобные лазерные диоды сильно проигрывают в сфере спектроскопии более дорогим и сложным устройствам — как раз за счет недостаточной монохроматичности. Излучение таких лазеров «размазано» по полосе в десяток нанометров.
«Для того чтобы сузить линию диодного лазера, его стабилизируют либо внешним резонатором, либо дифракционной решеткой. Это позволяет сузить полосу, но за это приходится расплачиваться сильным снижением мощности, и о низкой цене и компактности тоже можно забыть», — говорит ведущий автор исследования, научный директор РКЦ и профессор МГУ имени М.В. Ломоносова Михаил Городецкий.
Он и его коллеги нашли простое и элегантное решение проблемы: они заставили превращать свет лазера в более монохроматический те же самые микрорезонаторы, которые генерируют оптические гребенки. Так получилось достичь сразу двух целей: мощность лазера остается практически той же, размеры меняются мало, потому что размер микрорезонатора составляет миллиметры, а свет почти в миллиард раз более монохроматичный — полоса пропускания сужается до аттометров, а заодно при желании можно сразу получить оптическую гребенку.
«В этой работе два главных результата: она показывает, что можно создать дешевый лазер с узкой линией, одночастотный, но при этом очень энергоэффективный и компактный, и вторая — что этот же лазер практически без изменений можно использовать для генерации оптических гребенок, то есть в качестве основного компонента спектроскопических химических анализаторов», — поясняет Городецкий.
Предложенную схему можно использовать во многих областях, например, в сфере телекоммуникаций она позволят значительно увеличить пропускную способность оптоволоконных сетей за счет увеличения числа каналов. Второе направление — различные сенсоры, например, рефлектометры, на базе которых создаются системы мониторинга и охраны. Например, достаточно уложить вдоль моста или нефтепровода оптоволоконный кабель и излучение лазера внутри него будет реагировать на малейшие колебания или изменения геометрии объекта, точно указывая на место нарушения.
Одночастотные лазеры можно будет использовать в оптических радарах — лидарах, которые сегодня устанавливают, например, на беспилотные автомобили. Наконец, на их базе можно создавать высокоточные анализаторы, например, устройства для анализа состава воздуха или медицинской диагностики, которые можно встраивать в смартфоны или в часы.
