Исследователи из Университета Тампере успешно разработали новую конструкцию оптического волокна, позволяющую генерировать радужный лазерный свет в электромагнитной области молекулярных отпечатков пальцев. Это новое оптическое волокно с самоочищающимся лучом может помочь в разработке приложений, например, для маркировки загрязняющих веществ, диагностики рака, мониторинга окружающей среды и контроля пищевых продуктов. Открытие было опубликовано в журнале Nature Communications.
Когда мощный ультракороткий импульс света взаимодействует с таким материалом, как стеклянное оптическое волокно, происходит ряд сильно нелинейных взаимодействий, вызывающих сложные изменения как временных, так и спектральных свойств инжектируемого света. В крайних случаях такое взаимодействие может привести к генерации радужного лазера света, обычно называемого источником света суперконтинуума. С момента своей первой демонстрации в оптическом волокне особого типа в 2000 году лазерный суперконтинуум произвел революцию во многих областях науки, начиная от метрологии и визуализации с беспрецедентным разрешением и заканчивая сверхширокополосным дистанционным зондированием и даже обнаружением экзопланет..
Текущее узкое место с современными источниками суперконтинуума, однако, заключается в том, что они основаны на оптических волокнах, которые поддерживают один профиль или моду поперечной интенсивности, что по своей сути ограничивает их оптическую мощность. Более того, обычные оптические волокна изготавливаются из кварцевого стекла, пропускание которых ограничено видимой и ближней инфракрасной областью спектра. Распространение света суперконтинуума на другие режимы длин волн, такие как средний инфракрасный диапазон, требует оптических волокон, изготовленных из так называемых мягких стекол, но они обладают более низким порогом повреждения, чем кварц, что еще больше ограничивает мощность луча суперконтинуума.
Силикатное оптическое волокно с самоочищающимся пучком
Недавно было показано, что оптическое волокно другого типа с показателем преломления, непрерывно меняющимся по всей структуре волокна, дает резкое увеличение мощности суперконтинуума при сохранении плавного профиля интенсивности луча. «Изменение показателя преломления таких оптических волокон с градуированным показателем преломления приводит к периодической фокусировке и расфокусировке света внутри волокна, что обеспечивает связь между пространственными и временными нелинейными взаимодействиями света и вещества. Это приводит к механизму самоочистки, который дает суперконтинуальный свет с высокая мощность и четкий профиль луча. Наряду с их многочисленными приложениями, они также предоставляют средства для изучения фундаментальных физических эффектов, таких как волновая турбулентность», - говорит профессор Гоэри Дженти, руководитель исследовательской группы в Университете Тампере.
Несмотря на то, что в последнее время эти волокна привлекли значительное внимание исследовательского сообщества, до сих пор их использование ограничивалось видимым и ближним инфракрасным диапазоном. В сотрудничестве с группой проф. Бучинского и Климчака из Варшавского университета (Польша) и группы проф. Дадли из Бургундского университета Франс-Конте (Франция), команда Тампере впервые продемонстрировала генерацию двухоктавного суперконтинуума от видимого до средний инфракрасный диапазон в волокне с плавным показателем преломления без кварца с самоочищающимся лучом.
Теперь эта проблема решена с помощью особой конструкции, в которой используются два типа стержней из свинцово-висмутово-галлатного стекла с разными показателями преломления, вытянутыми для получения наноструктурированной сердцевины. В результате получается волокно с плавным показателем преломления и эффективный параболический профиль показателя преломления с пропусканием до среднего инфракрасного диапазона и, как вишенка на торте, усиленное нелинейное взаимодействие света и вещества», - говорит исследователь Захра Эслами.
Большой потенциал в диагностике и мониторинге
Средний инфракрасный диапазон представляет большой интерес, поскольку он содержит характерные колебательные переходы многих важных молекул.
«Новое решение приведет к созданию более эффективных источников света суперконтинуума в среднем инфракрасном диапазоне со многими потенциальными приложениями, например, для маркировки загрязняющих веществ, диагностики рака, машинного зрения, мониторинга окружающей среды, контроля качества и пищевых продуктов», - объясняет Дженти.
Исследователи ожидают, что этот новый тип волокна очень скоро станет важным и стандартным материалом для создания широкополосных источников и частотных гребенок.
Исследование проводилось в Университете Тампере и в рамках Флагманской академии исследований и инноваций в области фотоники Финляндии (PREIN).