Dr hab. inż. Jarosław Sotor, prof. uczelni i dr inż. Łukasz Sterczewski z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów opracowali nową metodologię diagnostyki laserów impulsowych. Wyniki ich badań nad dwufotonowym obrazowaniem dynamiki solitonów opublikowano właśnie w „Nature Communications”.

Soliton to samopodtrzymująca się fala, która może przebywać duże odległości bez zmiany kształtu. Powstaje w wyniku balansu pomiędzy właściwościami dyspersyjnymi, a nieliniowymi ośrodka, w którym propaguje.

W układach mechanicznych pierwszy raz zjawisko solitonu opisał w 1834 r. szkocki fizyk John Scott Russell podczas obserwacji kanału Union w Szkocji.  Zauważył on falę, która wytworzyła się wskutek nagłego zatrzymania łodzi ciągniętej przez konie. Wybrzuszenie wody, które się wtedy uformowało, kontynuowało podróż z dużą prędkością przez ponad milę bez widocznej zmiany kształtu. Podobnie jest również z falami tsunami.

Solitony a lasery

– Największą popularność solitonów zagwarantowały jednak lasery światłowodowe. Typowy impuls światła propagujący w światłowodzie ulega poszerzeniu z powodu dyspersji chromatycznej, czyli zależności współczynnika załamania od długości fali. Mimo to, gdy osiągnie on odpowiednio dużą intensywność, modyfikuje współczynnik załamania medium światłowodowego wskutek tzw. efektu Kerra – mówi dr inż. Łukasz Sterczewski. – Balans pomiędzy tymi dwoma zjawiskami, liniowym i nieliniowym, warunkuje powstanie samopodtrzymującego się solitonu optycznego – impulsu o niezmieniającym się kształcie i czasie trwania rzędu kilkuset femtosekund. Lasery bazujące na tym zjawisku są chętnie wykorzystywane jako źródła impulsów optycznych na potrzeby telekomunikacji, spektroskopii i obrazowania biomedycznego – dodaje.

Najbardziej pożądanym stanem solitonu optycznego, z punktu widzenia większości aplikacji, jest stan tzw. singletu, w którym wytwarzany jest jeden impuls na okres obiegu wnęki laserowej. Niestety, w układach nieliniowych jakimi są lasery światłowodowe, w pewnych warunkach pojedynczy soliton rozpada się na mniejsze, co objawia się zmniejszoną mocą szczytową, silną modulacją widma optycznego i pogorszeniem parametrów szumowych. Ze względu na analogię do ciała stałego, takie struktury związanych impulsów optycznych nazywa się cząsteczkami solitonowymi.

– W praktyce ich diagnostyka jest często kłopotliwa, zwłaszcza w zakresach widma optycznego odległych od pasma telekomunikacyjnego 1550 nm. Nietrudno też przeoczyć obecność impulsów odległych od siebie w czasie – wyjaśnia prof. Jarosław Sotor. – W pracy zaproponowaliśmy wykorzystanie zjawiska absorpcji dwufotonowej w detektorach półprzewodnikowych celem monitorowania dynamiki impulsów powstających we wnęce laserowej z dużą szybkością.

Obrazowanie solitonów przypomina bowiem stroboskop, który spowalniania oś czasu dzięki wykorzystaniu tzw. techniki dwugrzebieniowej (ang. dual-comb spectroscopy). Nie wykorzystuje się w niej żadnych części ruchomych, a detekcja dwufotonowa znosi wymóg zgodności długości fali cechujący klasyczną spektroskopię dwugrzebieniową.

– Ta modyfikacja umożliwia wykorzystanie dobrze rozwiniętych i dopracowanych źródeł z zakresu telekomunikacyjnego 1550 nm do badania źródeł z innych zakresów spektralnych np. 2000 nm, czy średniej podczerwieni – tłumaczy prof. Jarosław Sotor.

Łatwiejsze badanie dynamiki laserów

W swoich badaniach naszym naukowcom zależało na dostarczeniu narzędzia dla środowiska naukowego. Ma ono pozwolić na zbadanie bogatej dynamiki laserów w prawie dowolnym zakresie spektralnym z dużą szybkością, przekraczającą o rzędy wielkości oferowaną przez tradycyjne instrumenty z ruchomymi zwierciadłami, czy spektrometry siatkowe.

Dzięki opracowanemu rozwiązaniu, mierzącemu tzw. korelację krzyżową intensywności, zbadali ewolucję solitonowych impulsów laserowych w szerokim zakresie długości fal.

– Drugim czynnikiem motywującym do podjęcia pracy w tej dziedzinie był fakt, że typowe optyczne urządzenia diagnostyczne nie dają pewności, czy laser dostarcza jeden impuls na obieg wnęki. Ma to krytyczne znaczenie dla koleżanek i kolegów z grupy, którzy impulsy laserowe tworzą na potrzebę wielofotonowego obrazowania ludzkiego oka – wyjaśnia dr inż. Łukasz Sterczewski. – Mniejsza moc szczytowa wynikająca z powstania molekuł solitonowych drastycznie zmniejsza mierzony przez nich sygnał, a w takich badaniach obowiązują restrykcyjne limity mocy oświetlającej gałkę oczną, której nie można swobodnie zwiększyć. Zaproponowana przez nas technika pomiarowa stanowi uzupełnienie metod diagnostycznych i pozwala m.in. w jednoznaczny sposób określić liczbę impulsów wytwarzanych w czasie jednego obiegu rezonatora laserowego – dodaje.

Europejski grant, międzynarodowa współpraca

Badania były prowadzone przez rok w ramach grantu Komisji Europejskiej Marii Skłodowskiej Curie z programu Horyzont 2020 oraz projektu Opus Narodowego Centrum Nauki.

Ich efektem jest opracowanie nowej metodologię diagnostyki laserów impulsowych i wstępna charakterystyka komercyjnie dostępnych fotodetektorów pod kątem przydatności do tego celu.

– Nawiązaliśmy już współpracę z naukowcami w Szkocji, którzy korzystają z naszych detektorów dwufotonowych do optycznego pomiaru odległości. Dalsze kroki obejmą opracowanie płynnie przestrajalnego źródła do rutynowej diagnostyki źródeł laserowych w laboratorium i badanie stanów przejściowych impulsów laserowych powstających w momencie startu – zapowiada prof. Jarosław Sotor.

Dodatkowy atut to uniwersalność techniki i możliwość jej stosowania do różnych źródeł, nie tylko światłowodowych. Planowane jest jej wykorzystanie do badania dynamiki solitonów optycznych w mikrorezonatorach i laserach półprzewodnikowych z synchronizacją modów.

Sterczewski, Ł.A., Sotor, J. Two-photon imaging of soliton dynamics. Nat Commun 14, 3339 (2023).

mic