Лазерную генерацию на основе цилиндрического микрорезонатора поддерживающего моды шепчущей галереи, изготовленного из теллуритового стекла и легированного эрбием, получили ученые Физического факультета Новосибирского государственного университета, в качестве источника накачки использовав легкодоступный широкополосным лазерный диод с длиной волны 976 нм. Данное устройство работает в спектральных диапазонах C и L, используемых в телекоммуникации. В ходе экспериментов исследователи подтвердили потенциал цилиндрических микрорезонаторов, легированных эрбием, в качестве компактных, перестраиваемых и узкополосных лазерных источников для телекоммуникационных и интегрированных фотонных приложений. Результаты данного исследования изложены ими в статье «Генерация лазерного излучения в цилиндрическом микрорезонаторе из теллурита, легированного эрбием, с изменением эффективного радиуса» (Laser generation in an Er-doped tellurite cylindrical microresonator with effective radius variations), опубликованной в журнале Optics Letters.
— Особенность нашего исследования состоит в том, что мы поставили перед собой задачу добиться лазерной генерации в почти цилиндрических резонаторах очень небольших размеров, по диаметру аналогичным человеческому волосу. Такие резонаторы, которые по сути являются небольшими отрезками оптоволокна, легированного ионами редкоземельного металла эрбия. Помимо малых размеров, позволяющих размещать наш резонатор в различных чипах и детекторах, использовать для детектирования каких-либо атомов и молекул в окружающей среде, у нашего лазера имеются и другие преимущества. В частности, его почти цилиндрическая форма. Обычно такие резонаторы имеют форму сферы, но цилиндр дает свои преимущества — благодаря цилиндрической геометрии мы имеем возможность менять длины волн генерации нашего лазера. Это делает цилиндрические микрорезонаторы особенно подходящими для некоторых применений, в отличие от микросфер, микроколец или микротороидов. В частности, цилиндрическая форма позволяет реализовать несколько методов настройки лазера, а это существенно расширяет область его возможного применения, — рассказала аспирант 1 курса Физического факультета НГУ Наталья Макарова.
В цилиндрических микрорезонаторах свет движется не линейно, а по спирали, отражаясь от внешней поверхности стенки оптоволокна. Данное явление в акустике называют «эффектом шепчущей галереи», который представляет собой физическое явление, когда звуковые (или световые) волны распространяются вдоль вогнутой изогнутой поверхности на большие расстояния, почти не теряя своей силы. Благодаря этому лазер в цилиндрическом микрорезонаторе очень чувствителен к любым изменениям в окружающей среде и способен детектировать даже небольшие изменения температуры воздуха или присутствия какого-либо газа.
В ходе экспериментов под руководством старшего научного сотрудника Лаборатории волоконных лазеров ФФ НГУ, кандидата физико-математических наук Ильи Ватника выяснилось, что возбуждение лазера в резонаторе таких небольших размеров возможно производить не перестраиваемой узкополосной лазерной накачкой, требующей точного согласования длины волны и поляризации, а с помощью недорогого и широко доступного широкополосного лазерного диода, что ранее считалось невозможным. При этом излучение накачки вводится в микрорезонатор с помощью конического волокна размером около единиц микрона, что в десятки раз тоньше человеческого волоса. В результате достигается селективное возбуждение различных режимов генерации, что позволяет настраивать длину волны и переключать режимы.
— В нашем случае лазер возбуждается с помощью легко доступного широкополосного лазерного диода с длиной волны 976 нм и работает в двух спектральных диапазонах, которые используются в телекоммуникации. В качестве основы для лазера мы использовали активное волокно, созданное специально нашими коллегами из Института прикладной физики в Нижнем Новгороде, а сейчас мы разработали свою простую методику по созданию таких активных оптоволокон. Также имеется возможность перестройки длины волны и переключения режима работы лазера между диапазонами. Лазер демонстрирует режим генерации с узкой спектральной линией, что подтверждено нами экспериментально. Полученные результаты показали потенциал цилиндрических микрорезонаторов, легированных эрбием, в качестве компактных, перестраиваемых и узкополосных лазерных источников для телекоммуникационных и интегрально-фотонных приложений, — пояснила Наталья Макарова.
Важно, что новые цилиндрические резонаторы излучают лазерную генерацию приблизительно в том же диапазоне, в котором работает Интернет — 1550 – 1610 нанометров. Иногда этот показатель достигал 1530 нанометров. Это оптимальные длины волн для работы в оптоволокне. Благодаря генерации лазера в данном диапазоне цилиндрические микрорезонаторы возможно будет использовать в системах телекоммуникации и спутниковой навигации.
Еще одно преимуществоданной методики — в цилиндрических микрорезонаторах лазер демонстрирует режим генерации с узкой спектральной линией, что подтвердилось в серии экспериментов.
— Спектр нашего лазера очень узкий, поэтому может детектировать единичные молекулы, а не просто их скопления. И не только детектировать, он дает возможность наблюдать за движением этой самой молекулы, исследовать ее вращение в какой-либо системе. Почему это важно? Мы предполагаем, что с помощью такого узкого лазера можно будет детектировать единичные молекулы раковых опухолей. В настоящее время в медицинской диагностике используются передовые технологические методы обнаружения онкологических заболеваний на ранних стадиях. Не исключено, что наш лазер позволит выявлять их еще раньше – когда в организме появляются самые первые, единичные молекулы раковых клеток, которые другая аппаратура просто не «видит», — сказала Наталья Макарова.