Как устроен классический лазер
Лазер – пучок света, в котором фотоны абсолютно одинаковы и который образуется в результате вынужденного излучения. Как это работает? Предположим, что есть материал с большим количеством атомов с электронами, которые находятся на определенных энергетических уровнях. Когда в атом врезается фотон, он вызывает переход электронов на другие энергетические уровни. Но такое состояние длится недолго, и электроны стремятся вернуться на свои места, и когда они это делают, то излучают фотон. Это называется спонтанным излучением. Оно является некогерентным, то есть излучаемые так фотоны имеют разную длину волну, разное направление движения и прочие характеристики. Чтобы добиться такого возбуждения атома, то есть заставить его электроны переходить на другие энергетические уровни, на него нужно воздействовать электромагнитным излучением, например, светом. Это называют накачкой.
Однако некоторые атомы могут находиться в возбужденном состоянии достаточно долго, из-за чего возникает вероятность, что в такой атом врежется еще один фотон. В этом случае при возврате электрона на свой энергетический уровень атом излучит уже два одинаковых фотона, то есть два фотона с одинаковой длиной волны и другими характеристиками – первичный и вторичный фотоны будут неразличимы. Такое излучение называют вынужденным. Эти два фотона могут врезаться в другой возбужденный атом, и в результате получаются уже четыре одинаковых фотона. Те врезаются в другие возбужденные атомы – и уже есть восемь фотонов и так далее. Получается постоянное наращивание количества одинаковых фотонов, из которых и получается лазерный пучок, когерентное излучение. Но нельзя допустить, чтобы все фотоны, образующиеся в активной среде, пошли на лазерный пучок. Нужно, чтобы часть фотонов всегда оставалась в ней. Для этого придумали систему резонаторов, поверхностей, которые отражают фотоны, чтобы те перемещались внутри лазера туда-обратно и продолжали вызывать вынужденное излучение. А чтобы образовывался пучок, одно из зеркал пропускает свет на 50 %.
Как сократить количество спонтанных излучений
Вынужденное излучение – это вероятностный процесс, подчеркнул Владимир Борисов на Science Slam. При хорошей накачке, если фотонов в активной среде много, то лазер будет работать хорошо. Однако может быть так, что накачка слабая. Еще одна проблема в том, что много атомов хотят излучать спонтанно, то есть выдавать фотоны, которые некогерентны лазерному пучку. Из-за этих фотонов повышается вероятность спонтанных излучений или вынужденных излучений, но в другом спектре, что может превратить направленный когерентный свет (лазер) в обычное излучение с разными длинами волн. Таким образом, ученым нужно решить несколько проблем. Первая – сократить в целом количество вероятностей получения разных по свойствам фотонов.
«Иными словами, нам нужно, чтобы “правильные”, одинаковые фотоны оставались в активной среде лазера, а все остальные бы “улетали” из нее. Это можно сделать, создав в активной среде “полосы” с разными показателями преломления. Расстояние между ними будет равно половине той длины волны фотона, которая нам нужна. Тогда нужные фотоны будут отражаться в границах двух “полос”, образуя так называемую стоячую волну, а все остальные фотоны, с другими длинами волн будут проходить сквозь эти перегородки, не влияя на когерентность лазерного излучения. Таким образом, мы помещаем резонаторы, эти самые “полосы”, внутрь самой активной среды, упрощая конструкцию лазера. А для создания полос мы будем записывать в активной среде голограммные решетки», – сказал Владимир Борисов.
Для создания этой голограммной решетки также понадобятся лазеры, которые генерируют два одинаковых пучка, идущих навстречу друг другу. Так как пучки обладают одинаковыми параметрами, то на их пересечении образуется пространство из светлых и темных полос. В это пространство помещается определенный материал, который изменяет свои свойства под воздействием света и на котором в результате образуются темные и светлые полосы с теми самыми разными параметрами преломления света.
Но возникает вопрос: как фотоны, «запертые» в таких «светлых» областях голографической решетки, смогут выйти из них, чтобы образовать когерентное излучение, то есть лазерный пучок? Это задача создания голограммы с верными параметрами. Дело в том, что прохождение фотона через «темную» часть голографической решетки также имеет вероятностный характер.
«Можно представлять отражение от границ “светлой” и “темной” полос как в виде отражения волны, так и в виде отражения фотонов. В реальности же происходит нечто среднее, поэтому оба этих варианта по-своему верны. Если мы рассматриваем волну, то от границы отражается лишь часть волны, а часть проходит дальше. Если мы рассматриваем фотоны, то каждый фотон имеет вероятность отразиться от границы, ровно как и вероятность пройти через нее. В конечном итоге часть волны или часть фотонов так или иначе дойдет до краев голограммы и выйдет из нее в виде лазерного луча», – пояснил Владимир Борисов.
Как заставить голографическую среду излучать свет
Вторая проблема в лазерах, которую будут решать ученые – это как сделать так, чтобы голографическая среда могла излучать свет. Она решается при помощи квантовых точек. Это очень и очень маленькие объекты, которые могут поглощать и излучать фотоны. Если поместить их в активную среду лазера, то они будут излучать фотоны при слабой накачке. Однако здесь возникает сложность: квантовые точки распределятся по всей активной среде лазера равномерно, в котором в качестве резонаторов будет голографическая решетка, то есть они будут и в «темных» полосах решетки, где снова начнут появляться спонтанные излучения. А спонтанные излучения, как уже было сказано, снижают эффективность когерентного излучения.
Для решения этой проблемы ученые будут использовать эффект фотополимеризации – образования полимеров под действием света. Так, сначала ученые сделают голографическую среду жидкой, а квантовые точки будут равномерно распределены в среде. Затем эту среду будут с одной стороны облучать светом, из-за чего она будет затвердевать. Квантовые точки будут перемещаться в жидкую область и локализоваться там. Появится структура, в которой есть твердые полосы, а между ними – полосы с квантовыми точками в жидкости. Но после этого будет засвечиваться вся активная среда, чтобы жидкость также стала твердой. И в этом случае квантовым точкам будет некуда деваться, и они останутся там же. Это же излучение можно будет использовать в качестве накачки лазера. В результате получится, что «светлые» и «темные» полосы голографической среды будут иметь разную концентрацию полимера, а все квантовые точки окажутся в «светлой» полосе, где также будут находиться максимумы амплитуды стоячей волны.
Благодаря фотополимеризации и манипулированию показателей преломления в голограммах ученые планируют разработать лазер, в котором можно будет динамически менять параметры выходного излучения. То есть меняя меняя период голограммы при помощи температуры, а также используя разные квантовые точки, можно будет генерировать излучение на разных длинах волн, не изменяя конструкцию лазера. Иными словами, ученые смогут запирать разные «стоячие» волны, которые будут генерировать разное излучение.
Планируемые результаты работы по гранту
Таким образом, в результате работы по гранту, который официально называется «Объемные голограммы-решетки в фотополимеризующихся материалах с квантовыми точками для генерации лазерного излучения с распределенной обратной связью», аспирант Владимир Борисов будет решать сразу несколько сложных задач по созданию нового типа лазера.
«Основная проблема в генерации лазерного излучения в такой системе – это увеличение концентрации квантовых точек до необходимого предела. Для того чтобы максимизировать лазерную генерацию без значительного увеличения концентрации квантовых точек, экспериментальным методом будут определены оптимальные условия для создания голограммных элементов: длина волны регистрации, время экспозиции, плотность мощности излучения, концентрация квантовых точек, толщина образца. Также планируется рассмотреть различные комбинации квантовых точек с фотополимеризующимися композитами, чтобы выбрать оптимальные показатели преломления «темных» и «светлых» полос для получения излучения на нужной длине волны», – описал стоящие задачи получатель гранта РФФИ.
В качестве конечного результата работы будут созданы физические модели, которые описывают процессы формирования голограмм в таких композитах в зависимости от выбора самого композита, концентрации квантовых точек, условий регистрации голограммы. И конечно, ученые проверят, возможно ли получить когерентное излучение с помощью таких голограмм, то есть проверят реализуемость и эффективность описанного выше лазера.
«Излучатели фотонов с малыми энергиями позволят меньше воздействовать на исследуемую среду, а также сократить само количество требуемой энергии для накачки. К примеру, вам нужно при помощи лазера исследовать какие-то биологические ткани: если вы посветите на них мощным излучением, само излучение нагреет ткани, и у вас изменятся их свойства, следовательно, исследование будет неточным. Конечно, можно "задавить" излучение мощного лазера с помощью фильтра, но тогда мы, по сути, тратим 99% лазерного излучения впустую – зачем это нужно, когда можно обойтись менее мощным лазером? Кроме того, маленькие излучатели "одинаковых" фотонов можно с легкостью встраивать, например, в квантовые оптические схемы. Пока лазер имеет отдельные резонаторы, он является отдельной конструкцией, со своими техническими сложностями. Наша активная среда, в которую уже встроен резонатор, может работать как независимый элемент, причем очень маленького размера», – привел примеры использования будущего лазера Владимир Борисов.
Ученые из Университета ИТМО будут реализовывать этот проект совместно с группой из Университетского колледжа Дублина под руководством профессора Джона Т. Шеридана. Ирландские коллеги совместно с российскими исследователями будут заниматься разработкой многокомпонентной модели, описывающей процесс фотоиндуцированного массопереноса в фотополимеризующемся композите с квантовыми точками во время голографической записи. Профессор Шеридан – очень серьезный эксперт в этой области, подчеркнул Владимир Борисов. Сейчас совместно с ним уже сформулирована модель, которая описывает процессы, происходящие в активной среде лазеров с квантовыми точками, когда в них записываются голограммы. Впереди же у ученых – теоретическая и экспериментальная работа.
