Impulsowe lasery zbudowane w całości na światłowodach są coraz chętniej stosowane przez przemysł. Optycy z warszawskiego Centrum Laserowego Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wytworzyli w światłowodzie ultrakrótkie impulsy o dużej energii, używając w tym celu sposobu, który dotychczas uchodził za... niemożliwy do zrealizowania. Rozwiązanie okazało się nie tylko użyteczne, ale także zaskakująco proste.
Nowy laser, przeznaczony do wykorzystania na przykład w obrabiarkach laserowych, jest pozbawiony mechanicznie wrażliwych części zewnętrznych, co sprawia, że jest atrakcyjnym rozwiązaniem dla przemysłu. Zgłoszony do opatentowania wynalazek już niedługo powinien wielokrotnie skrócić czas obróbki materiałów.
Laser światłowodowy można skonstruować tak, żeby wszystkie procesy ważne dla powstania i kształtowania ultrakrótkich impulsów zachodziły w samym światłowodzie. Takie urządzenia, pozbawione zewnętrznych, mechanicznie wrażliwych elementów, działają bardzo stabilnie i idealnie nadają się do pracy w trudnych warunkach - mówi dr hab. Yuriy Stepanenko z IChF PAN.
Akcja laserowa w światłowodzie prowadzi do powstania ciągłego strumienia światła, korzystniej jest jednak uwalniać energię w jak najkrótszych impulsach, gdyż oznacza to duży wzrost ich mocy. Impulsy powstają w wyniku działania układu, zwanego nasycalnym absorberem. Gdy natężenie światła jest małe, układ blokuje światło, gdy duże - przepuszcza. Ponieważ w krótkich impulsach natężenie światła jest znacznie większe niż w ciągłej wiązce, parametry absorbera można dobrać tak, by przepuszczał tylko impulsy.
Jak tłumaczy mgr Jan Szczepanek, doktorant z Wydziału Fizyki UW i pierwszy autor publikacji w czasopiśmie "Optics Letters", jako nasycalny absorber stosowano m.in. płatki grafenu, nakładane cienką warstwą na końcówkę światłowodu. Przy próbach zwiększania mocy impulsów materiał ten ulegał jednak zniszczeniu, degradacji ulegał też absorber z nanorurek węglowych. By problem rozwiązać warszawscy fizycy postanowili usprawnić absorbery innego typu, wykorzystujące efekty nieliniowe, powodujące zmianę współczynnika załamania szkła w miarę wzrostu natężenia światła.
Na wejściu absorbera spolaryzowane liniowo światło jest dzielone na część o małym natężeniu i część o dużym natężeniu. Ośrodek absorbera dobiera się tak, by obie części odczuwały nieco inny współczynnik załamania i poruszały z nieco różnymi prędkościami fazowymi. To sprawia, że płaszczyzna polaryzacji zaczyna się obracać. Jeśli na wyjściu z absorbera umiesci się filtr polaryzacyjny przepuszczający wyłącznie fale drgające prostopadle do płaszczyzny polaryzacji światła wchodzącego, impuls przejdzie tylko gdy płaszczyzna polaryzacji odpowiednio się obróci. Można to osiagnąć tylko przy odpowiednio dużym nateżeniu, charakterystycznym dla impulsów o pożądanych parametrach.
To nie koniec problemów. By nasycalny absorber z obrótem polaryzacji działał stabilnie, światłowód nie tylko musi mieć różne współczynniki załamania w dwóch kierunkach, ale oba te współczynniki muszą być stałe. Naukowcy z IChF PAN po raz pierwszy zademonstrowali, że można to osiągnąć, jeśli przetnie się światłowód na segmenty o odpowiedniej długości i połączy je ponownie, każdy kolejny obracając o 90 stopni względem poprzedniego.
Obrót powoduje, że jeśli w jednym segmencie impuls o polaryzacji, powiedzmy pionowej przemieszczał się wolniej, w kolejnym będzie biegł szybciej i dogoni drugi impuls, spolaryzowany prostopadle. Prosty zabieg pozwolił nam zatem wyeliminować główną przeszkodę na drodze do zwiększenia energii, czyli dużą różnicę prędkości między impulsami o różnych polaryzacjach, typową dla światłowodów zachowujących polaryzację - tłumaczy dr Stepanenko.
Nowy laser wytwarza impulsy femtosekundowe (trwające milionowe części jednej miliardowej sekundy) o wysokiej jakości i dużej energii, nawet tysiąc razy większej niż w laserach z absorberami materiałowymi. Z kolei w porównaniu do dotychczasowych laserów z absorberami z obrotem polaryzacji urządzenie warszawskich fizyków ma znacznie prostszą konstrukcją, a więc i większą niezawodność. Tylko patentować, brać i stosować.
Na podstawie materiałów prasowych IChF PAN.