Os lasers de pulso construídos inteiramente em fibras ópticas são cada vez mais usados ​​pela indústria. Cientistas ópticos do Centro de Laser de Varsóvia do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências e da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia geraram pulsos de laser ultracurtos em uma fibra óptica com um método anteriormente considerado fisicamente impossível. A solução deles não é apenas útil, mas também surpreendentemente simples.

Um laser de fibra inovador foi desenvolvido no Centro de Laser do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências (IPC PAS) e na Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia. Usando uma solução simples, os cientistas ópticos de Varsóvia "forçaram" um dos tipos de lasers de fibra óptica a gerar ultracurtos, pulsos de alta energia. O novo laser é desprovido de quaisquer partes externas mecanicamente sensíveis, o que parece ser especialmente interessante para aplicações futuras. A invenção acelera muito o processamento de materiais em máquinas industriais a laser.

“Os lasers de fibra podem ser construídos de forma que todos os processos importantes para a geração e formação dos pulsos ultracurtos ocorram na própria fibra. sem quaisquer componentes externos mecanicamente sensíveis, operar de maneira muito estável, e são ideais para trabalhar em condições difíceis, "diz o Dr. Yuriy Stepanenko (IPC PAS).

A ação do laser na fibra leva à geração de um feixe de luz contínuo. A liberação de energia nos pulsos mais curtos possíveis é, Contudo, muito mais favorável, uma vez que significa um grande aumento de poder. Os pulsos são gerados em lasers de fibra por meio de um sistema absorvedor saturável. Quando a intensidade da luz é baixa, o absorvedor bloqueia a luz; quando está alto, o absorvedor deixa passar. Uma vez que os pulsos de femtossegundo têm maior intensidade do que um feixe contínuo, os parâmetros do absorvedor podem ser ajustados de forma que só admita pulsos.

"Até agora, folhas de grafeno, entre outros, têm sido usados ​​como absorvedores saturáveis, na forma de uma fina camada depositada na ponta da fibra. Mas os diâmetros das fibras ópticas são da ordem de um único mícron. Mesmo um pouco de energia restrita em uma seção transversal tão pequena tem uma densidade significativa por unidade de área, afetando a vida útil dos materiais. Portanto, se uma tentativa foi feita para aumentar a potência dos pulsos de femtossegundo, o grafeno na ponta do conector foi destruído. Outros absorventes, como nanotubos de carbono, também pode sofrer degradação, "explica Jan Szczepanek, um aluno de doutorado da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.

A fim de gerar pulsos de femtossegundos de maior energia na fibra óptica, os físicos de Varsóvia decidiram melhorar os absorventes saturáveis ​​de um tipo diferente, por meio do uso inteligente de fenômenos ópticos, como efeitos não lineares que causam uma mudança no índice de refração do vidro.

Campos elétricos e magnéticos de luz geralmente oscilam aleatoriamente, direções mutuamente perpendiculares. Quando os campos oscilam o tempo todo no mesmo plano, a onda é chamada de polarizada linearmente. Na ótica clássica, presume-se que quando tal onda passa por um meio, ele experimenta um índice de refração constante, independentemente da intensidade da luz. Em óptica não linear, isso é diferente:em uma intensidade de luz suficientemente alta, o índice de refração começa a aumentar ligeiramente.

Um absorvedor saturável artificial não linear funciona da seguinte maneira. Na entrada, a luz linearmente polarizada é dividida em um feixe de baixa intensidade e um feixe de alta intensidade. O meio do absorvedor pode ser escolhido para ambos os feixes de luz para experimentar um índice de refração ligeiramente diferente para que eles viajem em velocidades ligeiramente diferentes (fase). Como resultado da diferença de velocidade, o plano de polarização começa a girar. Na saída do absorvedor, existe um filtro de polarização que só deixa passar as ondas oscilando perpendicularmente ao plano de polarização da luz incidente. Quando o laser está operando em modo contínuo, a luz no feixe é de uma intensidade relativamente baixa, uma diferença de caminho óptico não ocorre, a polarização não muda, e o filtro de saída bloqueia a luz. Em uma intensidade alta o suficiente, típico para pulsos de femtossegundo, a rotação da polarização faz com que o pulso passe pelo polarizador.

Para que o absorvedor saturável com rotação de polarização funcione, a fibra deve ter diferentes índices de refração em diferentes direções (portanto, deve ser birrefringente), e ambos os índices também devem ser estáveis. O problema é que em fibras ópticas comuns, birrefringência ocorre acidentalmente, por exemplo. devido ao estresse causado pelo toque de um dedo. Lasers construídos desta maneira são extremamente sensíveis a fatores externos. Por sua vez, a birrefringência das fibras que preservam a polarização é tão grande que a luz se propaga em apenas uma direção, e a construção de absorvedores saturáveis ​​artificiais torna-se fisicamente impossível.

"As fibras ópticas birrefringentes que retêm o estado de polarização da luz que entra já estão em produção. Somos os primeiros a demonstrar como elas podem ser usadas para construir um absorvedor saturável:cortamos a fibra óptica em segmentos de comprimento apropriado e depois os reconectamos, girar cada segmento sucessivo 90 graus em relação ao seu antecessor, "diz o estudante de doutorado Szczepanek.

"Rotação significa que se em um segmento um pulso com, devemos dizer, a polarização vertical viaja lentamente, na próxima, correrá mais rápido e alcançará o segundo pulso, polarizado perpendicularmente. Um procedimento simples, portanto, nos permitiu eliminar o principal obstáculo ao aumento da energia, isso é, a grande diferença de velocidades entre pulsos de polaridades diferentes, típico para todas as fibras de preservação de polarização, "explica o Dr. Stepanenko.

Quanto mais segmentos girados houver, melhor será a qualidade dos pulsos gerados na fibra. No laser construído no laboratório de Varsóvia, o absorvedor saturável consistia em uma fibra com um comprimento de aproximadamente 3 m, dividido em três segmentos, e um polarizador de filtragem. O número potencial de segmentos girados pode ser aumentado até uma dúzia ou mais.

O novo laser produz pulsos de femtossegundos de alta qualidade, e sua energia pode ser até 1000 vezes maior do que o típico para lasers com absorvedores de material. Em comparação com os dispositivos com absorvedores artificiais, o laser feito por cientistas de Varsóvia tem uma construção muito mais simples e, portanto, sua confiabilidade é significativamente maior.