Мы продолжаем представлять молодых ученых, чья работа в этом году была отмечены премией мэрии Новосибирска. Наш сегодняшний собеседник – старший научный сотрудник отдела лазерной физики и инновационных технологий ФИТ НГУ Алексей Иваненко. А премию ему вручили за исследования по теме «Управляемые волоконные импульсные лазеры для метрологических, биомедицинских и научных целей».
– Алексей Владимирович, прежде всего – что такое волоконные импульсные лазеры и где они используются?
– Так называют лазеры, для создания которых используется оптическое волокно. Среди таких лазеров можно отдельно выделить лазеры, выполненные полностью из волоконных элементов, или цельноволоконные лазеры. Преимущества и особенности этого типа лазеров в том, что в их конструкции нет объёмных оптомеханических элементов. И, следовательно, они не требуют периодической юстировки и менее подвержены к вибрационным воздействиям. Волоконные импульсные лазерные системы позволяют получать большие пиковые мощности. Такие лазеры нашли широкое применение в самых разных областях: для резки металлов и маркировки продукции, в сварке и микрообработке металлов, для исследования сверхбыстрых реакций, в телекоммуникационных и навигационных системах, таких, как ГЛОНАСС и GPS. В медицине такие лазеры применяются в качестве хирургических инструментов.
Ещё одной особенность волоконных лазеров является большое разнообразие возможностей конфигурирования резонаторов таких лазеров и получения генерации излучения с требуемыми характеристиками за счёт обширной элементной базы. И этим возможности этого типа лазеров не исчерпываются, по мере совершенствования волоконно оптических элементов, технологии производства оптического волокна и появления новых типов оптических волокон – будут открываться и новые области их применения.
– Насколько я понимаю, Ваши исследования тоже, в какой-то мере, направлены на это. Расскажите о них подробнее.
– Если говорить о работе, которая была отмечена премией, то в ней главной задачей была разработка и развитие нового класса волоконных импульсных лазеров, обладающих уникальными характеристиками и расширенным набором управляемых параметров. Важно отметить то, что в этих решениях делается упор на электронное управление параметрами импульсного излучения. Был предложен ряд новых и оригинальных конфигураций лазерных резонаторов, позволяющих электронным образом переключаться между существенно разными режимами импульсной генерации, а также задавать временной профиль импульсов.
– А для чего это вообще нужно?
– Есть ряд задач, где требуется большая гибкость оборудования, нужно менять длину волны, форму/тип импульсов или частоту следования импульсов прямо в процессе работы. Например, в биомедицине, где в зависимости от длины волны, мощности, энергии, параметров пучка излучения можно индуцировать разные процессы взаимодействия излучения с клетками, например, сжигать больные клетки и не затрагивать здоровые. Для разных типов клеток могут быть свои оптимальные параметры излучения. Более того, очень часто, изначально правильного ответа на вопрос – какие это должны быть оптимальные параметры – у биомедиков нет. Не маловажным параметром является также время взаимодействия лазерного излучения с исследуемым объектом. Это время взаимодействия определяется как общим временем облучения объекта, так и длительностью и формой оптических импульсов. И если первый параметр легко задаётся практически для любого лазера временем работы лазера, то второй параметр варьировать не так-то и просто, особенно для ультракоротких импульсов длительностью пикосекунды и менее. Управление временным профилем импульса открывает новые перспективы взаимодействия оптического излучения с исследуемыми объектами и возможно приведёт к созданию новых протоколов и стандартов взаимодействия лазерного излучения в биомедицине. Аналогично тому, как сейчас для зажигания пикселя на наших жидкокристаллических мониторах подаётся электрический сигнал сложной формы, а не какой-то простой – прямоугольной, треугольной или гауссовой.
Однако, управление параметрами генерации волоконных лазеров, генерирующих короткие световые импульсы, является непростой задачей. Параметры импульсного генерируемого излучения определяются сочетанием параметров элементов резонатора и параметрами насыщающегося поглотителя (элемента, который задаёт импульсную генерацию в лазере). Элементы резонатора в цельноволоконных лазерах соединяются между собой посредством сварки, а характеристики насыщающихся поглотителей жестко привязаны к структурным и материальным параметрам поглотителя и не могут быть изменены в процессе генерации лазера. Таким образом, параметры работы лазера задаются на этапе сборки лазера. И потом, чтобы их изменить, нужно фактически разобрать и заново собрать лазер, используя другие элементы.
Разрабатываемые нами подходы позволят создать лазерные системы, параметры излучения которых (длина волны, мощность, длительность импульсов и другие) могут изменяться в широких пределах при помощи исключительно электронного управления. Разработка таких систем открывает новые перспективы во многих областях науки и техники.
– Какая из задач, которые Вы решаете в работе с волоконными лазерами, является на сегодня самой сложной?
– Получение высокоэнергетических и ультракоротких импульсов. Одним из путей повышения энергии импульсов является увеличение средней мощности генерации за счёт увеличения мощности накачки. Однако в волоконных лазерах сложность заключается в заведении такой мощной накачки в резонатор лазера при сохранении цельноволоконной конструкции. Помимо этого с увеличением мощности излучения внутри резонатора в оптическом волокне возникает ряд проблем, которые мешают получению стабильной генерации отдельных кратковременных импульсов. Эта задача, в принципе, до сих пор полностью не решена. Нашей лабораторией был предложен новый подход к решению этой задачи – увеличение длины резонатора лазера и создание сверхдлинных лазеров, у которых длина резонатора составляет километры. Энергия импульса прямо пропорциональна длине резонатора. И при одной и той же средней мощности такой подход позволяет заметно повысить энергию импульсов за счёт увеличения длины резонатора. Но тоже до определённого уровня – пока предел на уровне десятка микроджоулей.
– И снова вопрос, где это применимо с практической точки зрения?
– Направлений много. Начиная от лидаров (устройств получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах) и систем целеуказания, и заканчивая оборудованием для резки, сварки и нанесения маркировки на различные материалы. Обычно эти системы строят по принципу – лазер и к нему несколько усилителей. И чем мощнее будет изначальный импульс, тем меньше потребуется усилителей. А это – улучшение ряда эргономических параметров устройства. Потому что каждый усилитель вносит свои шумы и ухудшает качество пучка.
– Над чем Вы с коллегами работаете в настоящее время?
– В данный момент продолжаем работать над исследованием новых подходов получения генерации ультракоротких импульсов в волоконных лазерах с электронно-управляемыми параметрами излучения. В частности, исследуем возможности управления временным профилем в волоконных лазерах с полупроводниковыми активными средами, совместно с коллегами из Сколково исследуем новые типы электронно-управляемых насыщающихся поглотителей, которые задают импульсную генерацию в лазере, совершенствуем сверхдлинные импульсные лазеры с целью увеличения энергии импульсов.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии