Generowanie ultrakrótkich impulsów optycznych z laserów całkowicie światłowodowych domieszkowanych tulem

Lasery, ze względu na mnogość zastosowań w najróżniejszych obszarach naszego życia, są urządzeniami szalenie istotnymi zarówno dla nauki, jak i przemysłu. Potrafią emitować impulsy światła o wręcz niewiarygodnie krótkim czasie trwania rzędu femtosekund (1 femtosekunda to 10-15 sekundy). Nie każdy wie, że chociażby ekrany dotykowe naszych smartfonów, wykonane z bardzo twardych szkieł, są wycinane przy użyciu laserów femtosekundowych. Lasery tego typu, w fachowej nomenklaturze naukowej, nazywa się laserami z pasywną synchronizacją modów.

fot. Michał Łepecki Jak nietrudno się domyślić, ogromny wysiłek naukowców wkładany jest w opracowanie laserów generujących jeszcze krótsze impulsy, o jeszcze większej mocy, możliwie niewielkim stopniu skomplikowania i jak najniższych kosztach produkcji finalnego urządzenia. Podstawowym czynnikiem ograniczającym czas trwania impulsu laserowego jest tak zwana dyspersja chromatyczna. Jest to zjawisko powodujące „rozmycie się” impulsu podczas propagacji w medium, np. w światłowodzie optycznym. Dlatego też, aby móc wygenerować krótsze impulsy, konieczne jest zastosowanie odpowiednich mechanizmów kompensacji dyspersji.

Szczególną grupę laserów stanowią lasery światłowodowe (to takie, w których światło „uwięzione” jest w światłowodach). Długość fali emitowanej wiązki (bardziej popularnie mówiąc: kolor) zależy od domieszki atomów użytej do produkcji światłowodu. Na przykład, lasery wykorzystujące światłowody domieszkowane jonami tulu (pierwiastek z grupy lantanowców) emitują promieniowanie optyczne z zakresu spektralnego średniej podczerwieni, niewidzialnego dla nas, tj. około 1800-2100 nanometrów. Jest to tzw. zakres długości fal bezpiecznych dla oka ludzkiego, gdyż promieniowanie to jest absorbowane w rogówce i ciele szklistym, nie docierając do siatkówki i nie powodując jej uszkodzenia. Dlatego też, dla tego typu laserów otwierają się nowe możliwości ich zastosowania, np. w dalmierzach, czujnikach, czy też w łączności optycznej. Główną motywację do rozwoju tego typu laserów stanowią jednak ich liczne potencjalne aplikacje w medycynie  (szczególnie dermatologii) oraz spektroskopii. Światło laserowe o długości fali z zakresu 1800- 2100 nm jest bardzo silnie pochłaniane przez wodę. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne nacinanie bądź selektywne usuwanie tkanek przy użyciu lasera emitującego fale o tej długości. Ponadto, w zakresie  1800- 2100 nm swoje linie absorpcyjne posiadają dwa podstawowe gazy cieplarniane – dwutlenek węgla (CO2) oraz podtlenek azotu (N2O). Zatem, badania te mogą istotnie przyczynić się do rozwoju bardzo czułych systemów detekcji śladowych ilości molekuł w atmosferze. Takie  aplikacje są bardzo istotne w kontekście postępującego efektu cieplarnianego, oraz konieczności monitorowania emisji i wychwytywania dwutlenku węgla.

fot. Michał Łepecki Celem projektu było zbadanie możliwości generowania ultrakrótkich impulsów optycznych z laserów całkowicie światłowodowych domieszkowanych tulem, z wykorzystaniem różnych technik kompensacji dyspersji. Opracowana konstrukcja laserów otwiera zupełnie nowe możliwości zastosowania w realnych warunkach poza laboratorium, gdzie istotna jest niezawodność oraz niewrażliwość na zakłócenia zewnętrzne. Zademonstrowano m.in. pierwszy na świecie całkowicie światłowodowy laser domieszkowany tulem o zerowej dyspersji, wykorzystujący grafen jako materiał wymuszający pracę impulsową. Uzyskano impulsy o czasie trwania ok. 200 fs. Przed podjęciem tych badań uważano, iż grafen nie jest w stanie wymusić pracy impulsowej w takich warunkach, ze względu na jego niski próg uszkodzenia optycznego. Opracowano również całkowicie światłowodowy laser tulowy o najszerszym kiedykolwiek uzyskanym spektrum emisji – sięgającym 100 nm. Tak szerokie pasmo jest niezmiernie istotne z punktu widzenia aplikacji w spektroskopii laserowej, gdyż pozwala np. na opracowanie systemów monitorujących jednocześnie stężenie wielu związków chemicznych w atmosferze. Oprócz realizacji wielu laserów mających ogromne znaczenie praktyczne, przeprowadzone badania pozwoliły na znaczne poszerzenie istniejącego stanu wiedzy na temat zjawisk zachodzących w laserach tulowych.