Ученые из международной команды, руководимая исследователями из Лаборатории наноматериалов Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, продемонстрировали возможность изменения нелинейно-оптических свойств углеродных нанотрубок посредством электрохимического легирования.
Благодаря данному подходу стало возможным разработать устройство, предназначенное для регулирования продолжительности лазерного импульса. О результатах исследования сообщается в авторитетном международном научном издании Nano Letters.
Отражение, преломление и поглощение света – оптические эффекты, которые мы наблюдаем ежедневно – не связаны с интенсивностью падающего света. Но при значительно возросшей интенсивности излучения возникают новые эффекты, включая изменение показателя преломления, самофокусировку света и генерацию излучения на иных длинах волн.
Нелинейная оптика, область физики, посвящена изучению явлений, зависящих от интенсивности света. Эффективность нелинейно-оптических эффектов, как правило, определяется структурой вещества и представляет собой его постоянную характеристику.
Применение наноматериалов в роли оптически-нелинейной среды предоставляет новые перспективы для регулирования нелинейных свойств, поскольку значительная доля атомов в них находится на поверхности. Это позволяет воздействовать на электронную структуру и, как следствие, модифицировать оптически нелинейный отклик.
Сотрудники Сколтеха, Научного центра волоконной оптики РАН, Новосибирского государственного университета и университета Варвик (Великобритания) разработали способ управления насыщающимся поглощением углеродных нанотрубок посредством электрохимического легирования. Насыщающееся поглощение представляет собой нелинейно-оптический эффект, характеризующийся снижением коэффициента поглощения при возрастании интенсивности падающего излучения.
Под воздействием интенсивного излучения материал демонстрирует эффект просветления. Ученые выяснили, что величину просветления можно регулировать, помещая материал в электрохимическую ячейку. Ранее было установлено, что использование нанотрубок в качестве электродов в такой ячейке позволяет аккумулировать значительный заряд на их поверхности. «Однако до настоящего времени не было известно, что накопление заряда приводит к существенному и нелинейному изменению оптических свойств материала, в частности, к снижению насыщаемого поглощения», – комментирует первый автор исследования, кандидат физико-математических наук и старший научный сотрудник Юрий Гладуш.
Авторы также представили один из вариантов практического использования материала, обладающего заданными нелинейными свойствами. Это связано с тем, что насыщаемое поглощение находит применение в лазерных системах для генерации фемтосекундных световых импульсов. Для этого достаточно интегрировать насыщающийся поглотитель с определенными характеристиками в лазерный резонатор.
«Предполагалось, что управление нелинейным откликом материала позволит контролировать режим лазерной генерации. В связи с этим была создана электрохимическая ячейка, содержащая углеродные нанотрубки на поверхности оптического волокна, и интегрирована в резонатор волоконного лазера. Эксперименты показали, что применение напряжения позволяет переключать режим генерации лазера, изменяя его от непрерывного до импульсного с длительностью в фемтосекундном и микросекундном диапазонах.
Данное изобретение открывает возможности для разработки универсальных лазерных систем с регулируемой длительностью импульса. По мнению заведующего Лабораторией наноматериалов Сколтеха, доктора технических наук и профессора РАН Альберта Насибулина, такие системы могут использоваться в лазерной обработке материалов, а также в лазерной хирургии и эстетической медицине.