В этой области исследований многие лазерные приложения имеют решающее преимущество, если длина волны лазера расположена и, возможно, настраивается в инфракрасной области. Однако в современных сверхбыстрых лазерных технологиях это все еще не так, и ученым необходимо исследовать различные нелинейные процессы, чтобы сместить длину волны излучения. В частности, оптический параметрический усилитель (OPA) до сих пор был единственным хорошо зарекомендовавшим себя инструментом для достижения этого инфракрасного окна.
Хотя системы OPA предлагают широкий диапазон настроек, они сложны, часто состоят из нескольких ступеней и довольно дороги.
Команда профессора Луки Раззари в сотрудничестве с профессором Роберто Морандотти продемонстрировала, что перестройка большой длины волны также может быть достигнута с помощью простой и гораздо менее дорогой системы: полого (капиллярного) волокна, заполненного азотом.
Кроме того, этот подход позволяет легко получать оптические импульсы короче, чем у входного лазера, и с высоким пространственным качеством. Исследователи также извлекли пользу из опыта INRS в этой области, поскольку специальная система для растяжения и удержания таких волокон продается на рынке стартапов с несколькими циклами.
Асимметричное спектральное уширение
Обычно волокна с полой сердцевиной заполняются одноатомным газом, таким как аргон, чтобы симметрично расширить спектр лазера, а затем повторно сжать его в гораздо более короткий оптический импульс.
Исследовательская группа обнаружила, что при использовании молекулярного газа, такого как азот, спектральное расширение все еще возможно, но неожиданным образом.
"Вместо того, чтобы расширяться симметрично, спектр был впечатляюще смещен в сторону менее энергичных инфракрасных длин волн. Этот сдвиг частоты является результатом нелинейного отклика, связанного с вращением молекул газа, и, как таковой, им можно легко управлять, изменяя давление газа (i.е., количество молекул) в волокне ", – объясняет доктор. Риккардо Пикколи, руководивший экспериментами в команде Раззари.
Как только луч расширяется в сторону инфракрасного, исследователи фильтруют выходной спектр, чтобы оставить только интересующую полосу. При таком подходе энергия передается в ближний инфракрасный спектральный диапазон (с эффективностью, сопоставимой с эффективностью OPA) в импульсе, в три раза короче входного, без каких-либо сложных устройств или дополнительной системы сжатия импульса.
Международное сотрудничество
Для завершения исследования ученые INRS объединились с австрийскими и российскими коллегами. «Мы объединили наш опыт после того, как на конференции обнаружили, насколько похожи явления, которые наблюдали наши две группы», – говорит Раззари.
Команда исследователей из Вены во главе с профессором Андрюсом Балтуска и доктором. Паоло А. У Карпеджиани была стратегия, дополняющая стратегию INRS. Они также использовали заполненное азотом волокно с полой сердцевиной, но вместо фильтрации спектра они сжимали его по времени с помощью зеркал, способных регулировать фазу уширенного импульса. «В этом случае общий сдвиг в инфракрасном диапазоне был менее резким, но конечный импульс был намного короче и интенсивнее, что идеально подходило для аттосекундной физики и физики сильного поля», – говорит доктор. Карпеджиани.
Московская команда под руководством профессора Алексея Желтикова сосредоточилась на разработке теоретической модели для объяснения этих оптических явлений. Объединив эти три подхода, исследователи смогли полностью понять сложную динамику, лежащую в основе, а также добиться не только экстремального красного смещения с использованием азота, но и эффективного сжатия импульсов в инфракрасном диапазоне.
Международная команда считает, что этот метод вполне может удовлетворить растущий спрос на длинноволновые сверхбыстрые источники для лазеров и приложений с сильным полем, начиная с менее дорогих перестраиваемых систем промышленного уровня, основанных на новой технологии иттербиевого лазера.