Международная группа учёных, включая исследователя из Университета Астона, разработала новую математическую модель, объясняющую необычное поведение "дышащих" лазерных импульсов. Это открытие впервые объединяет два различных типа лазерной динамики в единую систему. Сверхбыстрые лазеры генерируют невероятно короткие вспышки света длительностью в пико- или фемтосекунды, которые широко применяются в хирургии глаза, биомедицинской визуализации, дерматологии для удаления татуировок и пигментных пятен, в стоматологии для прецизионного препарирования кариеса, в нейрохирургии для стереотаксической абляции опухолей и в офтальмологии для коррекции пресбиопии.
Внутри сверхбыстрого лазера световые импульсы многократно проходят через лазерную полость, иногда формируя стабильные волновые пакеты — солитоны, которые сохраняют свою форму при движении благодаря балансу между дисперсией и нелинейностью среды. Эти солитоны критически важны для генерации сверхкоротких импульсов в режиме синхронизации мод, позволяя получать рекордно короткие и мощные вспышки для прецизионной обработки материалов и научных исследований. Однако в "дышащих" лазерах эти импульсы постоянно меняются со временем, увеличиваясь и уменьшаясь при каждом проходе через полость. Такое ритмичное колебание напоминает дыхание и представляет собой неравновесное состояние, при котором лазерный выход постоянно развивается вместо того, чтобы оставаться стабильным.
Ранее эксперименты выявили две различные формы дыхательного поведения в этих лазерах. Выше порога — минимальной мощности накачки, при которой усиление света в активной среде начинает превышать суммарные потери в резонаторе, — солитоны осциллируют быстро, завершая цикл за несколько проходов по полости. Ниже порога поведение становится значительно медленнее: для завершения одного цикла требуются сотни или даже тысячи проходов.
До сих пор исследователи использовали две отдельные математические модели для объяснения этих различных режимов, но новое исследование меняет ситуацию. Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters под названием "Унифицированная модель дыхательных солитонов в волоконных лазерах", показывает, что оба вида поведения можно описать в рамках единой системы. В состав команды вошла доктор Соня Босколо из Астонского института фотонных технологий.
Исследователи создали обновлённую модель, объединяющую два важных фактора: быструю эволюцию света внутри лазерной полости и более медленные изменения, происходящие в энергетическом обеспечении лазера. Учитывая оба процесса вместе, команда показала, что две формы дыхания возникают из связанных физических механизмов, а не являются отдельными явлениями. Доктор Босколо отметила, что их новое моделирование точно предсказывает как быстрые, так и медленные циклы одним подходом — что ранее считалось невозможным с помощью единой модели. Это открытие закрывает давний пробел в лазерной науке и предоставляет жизненно важный инструмент для разработки следующего поколения световых технологий в медицине, визуализации и производстве.
Источник: Physicists finally solve the strange mystery of “breathing” lasers