Сибірські фізики зуміли створити з розсіяної енергії солітона в лазерному випромінюванні систему пов'язаних солітонів з великою сумарною енергією.
З солітонами фізики знайомі давно, вже майже 200 років. Так називають стійкі одиночні або, як кажуть фізики, усамітнені хвилі в різних середовищах, що поширюються без значної зміни форми і тривалості на велику відстань. Найбільш відомий представник солітонів - цунамі. У лазері також можна реалізувати стійкі солітоподібні оптичні імпульси. Існування солітонів принципово пов'язане з так званою нелінійністю, коли потужна хвиля при поширенні в середовищі змінює її властивості. У лінійній фізиці хвилі не впливають на властивості середовища поширення.
Дисипативний солітон існує завдяки балансу припливу і відтоку енергії в середовищі, в якому можливе розсіювання (дисипація) енергії. Приплив енергії пов'язаний з накачуванням лазера, а відтік - з процесами її дисипації. У цьому випадку стійкий імпульс світла може бути розтягнутий у часі порівняно зі звичайним солітоном і відповідно мати більше енергії. Робота лазерів у режимі генерації дисипативних солітонів - один з найбільш передових способів отримання високої енергії фемтосекундних лазерних імпульсів. Найбільш підходять для цього волоконні лазери, резонатори яких формуються з оптичного волокна - світловода. Енергія імпульсів у них зростає зі збільшенням довжини світловода, але обмежується розсіюванням світла на молекулах середовища (раманівське або комбінаційне розсіювання світла). Це розсіювання руйнує солітон, перетворюючи його на шумові коливання і не дозволяючи збільшувати енергію лазера.
Колектив фізиків з Новосибірська під керівництвом члена-кореспондента РАН Сергія Бабіна вирішив важливе завдання - зумів відновити солітон з цих шумових коливань. Однак комбінаційне розсіювання світла змінює частоту випромінювання, тому відроджений солітон має інший колір, ніж вихідний. Новий солітон також руйнується і може бути аналогічно відроджений. За словами одного з авторів роботи Олександра Аполонського, який зараз працює в Німеччині, це можна назвати клонуванням вихідного солітона. Ці три різнобарвних солітони завдяки нелінійності утворюють взаємопов'язану систему, в якій запасена сумарна енергія світла приблизно в три рази вище, ніж у вихідному солітоні. Відповідно зростає енергія і вихідного імпульсу, одержуваного складанням всіх солітонів. При цьому він матиме ширший спектр (смугу частот).
Все це має численні перспективні практичні застосування: створення більш потужних лазерів і підсилювачів, передача енергії та інформації, в тому числі у сфері телекомунікації, застосування у спектроскопії та багатофотонної флуоресцентної мікроскопії тощо.
При виконанні дослідження автори будували лазер зі стандартних блоків на зразок конструктора Лего, організовуючи все нові і нові допоміжні резонатори, що народжують випромінювання в нових спектральних областях і забезпечують взаємодію світлових імпульсів різних кольорів за заданими правилами. Така технологія складання сама по собі потенційно може дати новий поштовх лазерній фізиці. Як зауважив Олександр Аполонський: "Поки важко сказати, який з результатів більш важливий. Час покаже ".
Дослідження виконано в Новосибірську вченими Інституту обчислювальних технологій СО РАН, Інституту автоматики і електрометрії СО РАН і Новосибірського державного університету. Результати роботи опубліковані в журналі Nature Communications.
За матеріалами Новосибірського державного університету.