Russische natuurkundigen hebben een methode ontwikkeld om het emissiespectrum van een gewone diodelaser drastisch te verkleinen. zoals dat in een laserpointer. Dit maakt hun apparaat een nuttige vervanging voor de meer complexe en dure lasers met één frequentie, waardoor compacte chemische analysers kunnen worden gemaakt die in smartphones passen, goedkope lidars voor zelfrijdende auto's, evenals beveiligings- en structurele gezondheidsbewakingssystemen op bruggen, gasleidingen en elders. De studie werd op 26 oktober gepubliceerd in Natuurfotonica en was co-auteur van onderzoekers van het Russian Quantum Center (RQC), het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie (MIPT), Lomonosov Moskouse Staatsuniversiteit (MSU), en Samsung R&D Instituut Rusland.

"Dit werk heeft twee belangrijke resultaten, " zei de hoofdauteur van de krant, RQC wetenschappelijk directeur Michael Gorodetsky, die ook een MSU-professor is. "Eerst, het dient om aan te tonen dat u een goedkope laser met smalle lijnbreedte kunt maken die een enkele frequentie heeft en toch zeer efficiënt en compact is. Ten tweede, hetzelfde systeem met vrijwel geen aanpassingen kan worden gebruikt voor het genereren van optische frequentiekammen. Het kan dus de kerncomponent zijn van een spectroscopische chemische analysator."

De toepassingen van lasers zijn talrijk. Onder hen zijn ooglaserchirurgie, laservizieren en glasvezelcommunicatie. Een van de belangrijkste toepassingen van lasers is spectroscopie, die de precieze chemische samenstelling van vrijwel alles meet.

De zogenaamde optische frequentiekamtechniek ligt ten grondslag aan lasergebaseerde spectroscopie, gepionierd door de Nobelprijswinnaars van 2005 in de natuurkunde, John Hall uit de VS en Theodor Hänsch uit Duitsland. De twee ontwikkelden een laserapparaat dat optische straling genereert bij 1 miljoen extreem stabiele frequenties. De straling in het versterkingsmedium van dergelijke lasers "kaatst" tussen spiegels en wordt uiteindelijk uitgezonden als een continue reeks korte lichtpulsen van een miljoen verschillende kleuren. Elke puls duurt slechts femtoseconden - miljoenste van een miljardste van een seconde. Het emissiespectrum van zo'n laser bestaat uit een groot aantal gelijkmatig verdeelde smalle spectraallijnen, de "tanden" van de optische kam.

Een optische laserfrequentiekam kan worden gebruikt als een "liniaal" om de lichtfrequentie nauwkeurig te meten en daarom nauwkeurige spectometrische metingen te doen. Andere toepassingen zijn onder meer satellietnavigatie, nauwkeurige tijdgegevensoverdracht, en de radiale snelheidsmethode voor het detecteren van planeten buiten het zonnestelsel.

De onderzoekers vonden een eenvoudigere manier om frequentiekammen te genereren, die vertrouwt op optische microresonatoren. Dit zijn ring- of schijfvormige transparante onderdelen. Op grond van de niet-lineariteit van hun materiaal, ze transformeren pomplaserstraling in een frequentiekam, ook wel microkam genoemd.

"Optische microresonators met fluisterende galerijmodi werden voor het eerst voorgesteld aan de MSU's Faculteit der Natuurkunde in 1989. Ze bieden een unieke combinatie van submillimetergrootte en een enorm hoge kwaliteitsfactor, " verklaarde co-auteur van de studie, MIPT-promovendus Nikolay Pavlov. "Microresonatoren openen de weg naar het genereren van optische kammen in een compacte ruimte en zonder veel energie te verbruiken."

Niet zomaar een laser kan worden gebruikt om optische frequentiekammen in een microresonator te pompen. De laser moet zowel krachtig als monochroom zijn. Dit laatste betekent dat het licht dat het uitstraalt in een zeer smalle frequentieband moet vallen. De meest voorkomende lasers zijn tegenwoordig diodelasers. Hoewel ze compact en handig zijn, bij spectroscopie, ze schieten tekort bij complexere en duurdere apparaten. De reden is dat diodelasers niet voldoende monochromatisch zijn:de straling die ze uitzenden wordt "uitgesmeerd" over een band van 10 nanometer.

"Om de lijnbreedte van een diodelaser te verkleinen, het wordt meestal gestabiliseerd met behulp van een externe resonator of een diffractierooster, " legde Gorodetsky uit. "Dit vermindert de lijnbreedte, maar de kosten zijn een grote afname van het vermogen, en het apparaat is niet meer goedkoop, het is ook niet compact."

De onderzoekers vonden een eenvoudige en elegante oplossing voor het probleem. Om laserlicht monochromatischer te maken, ze gebruikten de microresonatoren die optische frequentiekammen genereren. Op die manier slaagden ze erin om bijna hetzelfde laservermogen en dezelfde grootte te behouden - de microresonator heeft een diameter van slechts millimeters - terwijl ze ook de monochromaticiteit met een factor van bijna 1 miljard verhoogden. Dat is, de transmissieband wordt verkleind tot attometers - miljardsten van een miljardste van een meter - en er wordt een optische frequentiekam gegenereerd, indien vereist.

"Vanaf nu, compacte en goedkope diodelasers zijn beschikbaar voor bijna het gehele optische spectrum, " voegde Pavlov eraan toe. "Echter, hun natuurlijke lijnbreedte en stabiliteit zijn onvoldoende voor veel toekomstige taken. In deze krant, laten we zien dat het mogelijk is om het brede spectrum van krachtige multifrequentie-diodelasers effectief te verkleinen, tegen bijna geen stroomkosten. De techniek die we gebruiken omvat het gebruik van een microresonator als externe resonator om de laserdiodefrequentie te vergrendelen. In dit systeem, de microresonator kan zowel de lijnbreedte verkleinen als de optische frequentiekam genereren."

Het voorgestelde ontwerp kent vele toepassingsmogelijkheden. Een daarvan is in de telecommunicatie, terwijl het de bandbreedte van glasvezelnetwerken aanzienlijk zou verbeteren door het aantal kanalen te vergroten. Een ander gebied dat er baat bij zou hebben, is het ontwerp van sensoren, zoals reflectometers die worden gebruikt als basis voor beveiligings- en bewakingssystemen. Bijvoorbeeld, als een glasvezelkabel langs een brug of een oliepijpleiding loopt, het licht in de kabel zal reageren op de minste verstoringen of variaties in de geometrie van het object, potentiële problemen opsporen.

Lasers met één frequentie kunnen worden gebruikt in lidars, of optische radars, die zijn geïnstalleerd op zelfrijdende auto's, onder andere gebruik. Eindelijk, de technologie maakt zeer nauwkeurige analysers mogelijk, zoals het meten van de samenstelling van lucht of het uitvoeren van medische diagnostiek, die kunnen worden geïntegreerd in smartphones of horloges.

"De vraag naar dergelijke lasers zou heel hoog zijn, ’ zei Gorodetski.

De natuurkundige wees er ook op dat alle auteurs van het artikel Russische onderzoekers zijn, wat een vrij zeldzame gelegenheid is voor publicaties in zo'n hoog aangeschreven tijdschrift.