Быстрее, короче, сильнее: фемтосекундная оптика и фемтотехнологии

Время прочтения: 26 минут

«Все начинается с подвалов, где люди светят лазером на стекла, кристаллы и жидкости и пытаются что-то увидеть». Так подытожил рассказ о фемтотехнологиях Владимир Шумигай, сотрудник лаборатории квантовых процессов и измерений Университета ИТМО. Разберемся, что такое фемтосекундная оптика, зачем нужны сверхкороткие импульсы и как используют загадочный суперконтинуум.

Владимир Шумигай, сотрудник лаборатории квантовых процессов и измерений Университета ИТМО

— Приставка «фемто-» обозначает очень маленький размер — 10-15. Как его представить?

— Давайте нарисуем отрезок длиной один метр. Если поделить его на тысячу частей и взять одну, получим миллиметр. Теперь возьмем этот отрезок и снова поделим на тысячу — получим микрометр. Если проделать такую операцию еще три раза, получим фемтометр — м*10-15.  В нем измеряются размеры элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов.

Однако на практике приставка «фемто» добавляется ко времени, и получается фемтосекунда. Для сравнения, миллисекундами измеряют биологические процессы в нашем организме, наносекундами — взаимодействия между молекулами. Фемтосекунды описывают скорость отдельных электронов и их взаимодействия в атоме. Например, электрон, который находится на внешнем уровне, делает один оборот вокруг ядра примерно за несколько фемтосекунд. А в оптике ими описывают сверхкороткие импульсы.

— Что изучает фемтосекундная оптика?

— Это фундаментальная наука, которая описывает, как вещество взаимодействует со сверхкороткими, то есть фемтосекундными, импульсами, как мы можем их задетектировать и сгенерировать.

Для получения импульсов используют специальные лазерные системы, генерирующие импульсное излучение. В таких лазерных системах генерируется множество мод, т.е. колебаний, излучения, которые отличаются по времени возникновения. Однако их нужно синхронизировать, иначе они «полетят» вразнобой и не сформируют сверхкороткий импульс. Для этого их согласовывают по времени. Можно сказать, что одна мода «ждет» другую. В результате излучение различных мод синхронизируется и генерируется фемтосекундный импульс.

При этом частота повторения таких импульсов настолько большая, что наши глаза воспринимают их как один непрерывный поток. 

— В чем преимущество коротких импульсов?

— Допустим, мы хотим изучить какой-то объект с помощью оптического излучения. Самое короткие импульсы, на которое реагируют все вещества — пикосекундные. Пока они взаимодействуют с веществом,  оно успевает «понять», что на него попало какое-то излучение, и реагирует на него — изменяется или разрушается. Но если на среду попадает фемтосекундное излучение, которое в тысячу раз быстрее, вещество не успеет на него откликнуться. Поэтому мы можем, не разрушая среду, изучать и воспроизводить различные процессы.

— Где применяют фемтосекундные импульсы?

— Во-первых, можно обработать ими различные материалы. Например, мы хотим сделать в материале отверстие. Если облучит его наносекундным импульсом, оно получится широким и неровным. Но если использовать фемтосекундный импульс, то отверстие будет ровным с точностью в единицы микрометров.

Во-вторых, можно генерировать новые виды излучения. Если кристаллы облучать фемтосекундными импульсами, то они отреагируют специфически: за счет эффекта оптического выпрямления сгенерируют терагерцовое излучение. По частоте оно расположено между ИК- и радиодиапазоном. При сканировании объектов он позволяет обнаруживать взрывчатые вещества, которые имеют линии поглощения в данном спектральном диапазоне. Получается, что можно посветить им на человека, увидеть в кармане пятнышко и сделать вывод, что там находится взрывчатое вещество.

Сейчас в ИТМО изучают нелинейные процессы в жидкостях и кристаллах в терагерцовом диапазоне. Такие исследования проводят для дальнейшего создания  быстрых оптических транзисторов и переключателей, которые лежат в основе оптических компьютеров, позволяющих проводить вычисления с огромной скоростью.

— Вы упомянули нелинейные процессы. Как они возникают?

— У сверхкороткого импульса — большая пиковая интенсивность. Если взять пикосекундный и фемтосекундный импульсы с одинаковой энергией, то у второго этот показатель будет выше. За счет него в веществе «включаются» нелинейные процессы.

При средних значениях интенсивности среда реагирует на вещество линейно. Допустим, у нас есть лазер, и мы решили увеличить мощность его входного излучения в четыре раза. Тогда на выходе интенсивность тоже изменится в четыре раза. В нелинейных процессах же все иначе: например, мощность увеличится в 16 раз или сгенерируется излучение другого цвета. Нелинейные процессы могут протекать в каждом веществе, однако увидеть их можно только при высокой пиковой интенсивности, которую нетрудно получить при использовании фемтосекундных импульсов. И, что важно, вещество при этом не разрушится.

Благодаря нелинейным процессам мы можем сгенерировать спектральный суперконтинуум в любой среде, например, в жидкости или в стекле. 

— Это тоже излучение? Как оно возникает?

— Спектральный суперконтинуум — это излучение, в котором есть весь видимый диапазон — от фиолетового до красного. Его спектр соизмерим со спектром обычной лампочки. Однако, в отличие от нее, излучение суперконтинуума когерентно, то есть каждый его элемент излучает свет одновременно. Поэтому мы можем усиливать его или задавать определенные сигналы.

Для его генерации фемтосекундное излучение с помощью линз фокусируют на резервуаре с жидкостью. В этой точке возникают нелинейные процессы, из-за чего спектр расширяется. В результате генерируется излучение суперконтинуума, которое потом распространяется по системе.

— А какое практическое применение суперконтинуума?

— Информация — главное, что у нас есть. Сейчас ее передают, как правило, с помощью электрических сигналах в проводах. Однако еще в прошлом веке стало понятно, что этого недостаточно, и возникли новые запросы: как передавать данные на огромные расстояния и хранить большие объемы информации? Тогда научное сообщество обратилось к оптике и оптоэлектронике, которые помогли решить поставленные задачи. 

Сейчас в линиях связи используют оптическое волокно. У него предельная скорость передачи информации, а еще в одном волокне может быть сразу несколько каналов. За счет этого данные уплотняются. Если через него запустить излучение суперконтинуума, то получится быстрее и компактнее передавать информацию по каждому элементу спектра: по красному — одному пользователю, по зеленому — другому.

— Какие перспективы есть у фемтотехнологий?

— Фемтосекундные лазеры давно применяют для коррекции зрения. Терагерцовое излучение помогает анализировать различные материалы и упрощает контроль на производствах. Фемтосекундные импульсы применяют в системах квантовой связи и даже для нахождения нефти на шельфовых месторождениях.

Конечно, сейчас используются далеко не все возможности фемтотехнологий. Некоторые новые, но уже фундаментальные знания найдут применение только через 10, 20, а может быть и 50 лет. Иногда осознать их значение и понять, что ты делаешь что-то важное, тяжело.  Но делать это — большая возможность.

Фотограф: Лиза Козырина