Международная группа физиков, в которую вошли специалисты из Астонского университета в Великобритании, разработала единую математическую модель для описания поведения так называемых дышащих лазерных импульсов. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, впервые связывает два принципиально разных режима динамики лазера в рамках одной теоретической базы.
Сверхбыстрые лазеры генерируют крайне короткие вспышки света, длительность которых измеряется пико- или фемтосекундами. Такие приборы широко применяются в хирургии глаза, биомедицинской визуализации и высокоточной обработке материалов. Внутри лазерного резонатора световые импульсы при определенных условиях формируют солитоны – устойчивые волновые пакеты, которые сохраняют свою форму при движении, в отличие от обычного света.
Обычно солитоны ведут себя стабильно, однако в некоторых случаях возникают «дышащие» импульсы. Их параметры циклически меняются, то увеличиваясь, то уменьшаясь при каждом проходе через резонатор. До сих пор физики наблюдали два типа такого поведения. При работе лазера выше порога генерации солитоны колеблются быстро, совершая цикл за несколько проходов. Ниже порога процесс замедляется в сотни или тысячи раз.
Ранее для описания этих режимов требовались отдельные математические аппараты. Авторы новой работы объединили в одной модели быстрое изменение параметров света в резонаторе и медленные процессы в активной среде, поставляющей энергию. Выяснилось, что медленное «дыхание» ниже порога связано с режимом модуляции добротности в сочетании с формированием солитонов, тогда как быстрые колебания выше порога определяются дисперсией и нелинейным эффектом Керра.
Разработчики модели отмечают, что новое теоретическое описание устраняет давний пробел в лазерной физике. Единый аналитический инструмент позволит инженерам точнее прогнозировать поведение оптических систем без проведения сложных разрозненных симуляций. Это должно упростить проектирование надежных лазерных установок нового поколения для медицины и промышленности.
