Lasery zrewolucjonizowały przetwarzanie informacji, medycynę i wiele innych dziedzin. Co sprawia, że te urządzenia są tak wyjątkowe? Jak wyjaśniono w komunikacie Instytutu Chemii Fizycznej PAN, światło laserowe powstaje w wyniku tzw. wymuszonej emisji fotonów w postaci bardzo krótkich impulsów trwających nawet pikosekundy lub femtosekundy. I choć zjawisko to znane jest od lat, to nadal jest przedmiotem wielu badań, zwłaszcza dotyczących zaburzeń poszczególnych sygnałów powstających w wyniku nagłych zmian dynamicznych dla poszczególnych impulsów.

Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, pod kierownictwem prof. Yuriy Stepanenko zaprezentowali (DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202100646) nietypowe zjawisko zachodzące podczas akcji lasowej, gdzie częstotliwość konkretnego ciągu impulsowego może być okresowo modulowana przez dodatkowe oscylacje. Naukowcy zademonstrowali wyniki badań eksperymentalnych w czasie rzeczywistym zaburzeń sygnału zwanych podwójną bifurkacją Hopfa podczas pracy lasera światłowodowego domieszkowanego iterbem.

Zjawiska pojawiające się w impulsach światła podczas pracy lasera wciąż nie są w pełni poznane - wskazano w komunikacie. "Dotychczas podwójne bifurkacje Hopfa były opisywane głównie przez literaturę bazującą na wynikach badań teoretycznych. Jednak obserwacja tego zjawiska podczas trwania doświadczenia to już inna sprawa. Dlatego wyniki grupy prof. Stepanenko są tak zaskakujące" - podkreślono.

W ich badaniach wykazano, że dodatkowe oscylacje mogą okresowo modulować energię impulsów. Wynika to ze wzrostu amplitudy w odpowiedzi na zwiększoną moc lasera aż do osiągnięcia stanu stacjonarnego. Na podstawie wyników eksperymentów naukowcy odtworzyli i wyjaśnili podwójną bifurkację Hopfa w ramach symulacji numerycznych, umożliwiając bezpośrednią, teoretyczną eksplorację ośrodka laserowego i przewidywanie pojawienia się tego zjawiska - opisuje IChF PAN.

"W naszej pracy proponujemy nową, bardziej precyzyjną metodologię, która pozwala nam interpretować obserwowaną dynamikę podwójnej bifurkacji Hopfa pochodzącą z natychmiastowego działania nieliniowego zwierciadła pętli optycznej (NOLM)" - wyjaśnia prof. Stepanenko.

"Analizy numeryczne - przeprowadzone komplementarnie do badań eksperymentalnych -bazują na teorii chaosu, ukazując stabilność i niestabilność systemu lub porządek i nieporządek badanego układu. Opierając się na takim modelu pokazywana jest jego złożoność, szczególnie zmiana wzorca w czasie. Bifurkacja to nic innego jak zmiana zachowania badanego układu – jego rozdwojenie - prowadzące od porządku do chaosu. Z kolei podwójna bifurkacja Hopfa prowadzi do pewnej specyficznej i dość złożonej formy porządku, w której występują trzy współistniejące oscylacje. Zatem obserwuje się pewne zależności, układające się w spójną całość i tym samym uporządkowanie" - opisano w komunikacie.

"To fascynujące, że wyniki naszych badań mogą być związane z teorią chaosu, w szczególności ze zjawiskiem dynamiki podwójnej bifurkacji typu Hopfa, gdzie dodatkowa (trzecia) oscylacja pojawia się pod okresową modulacją częstotliwości. W naszym laserze światłowodowym zaobserwowaliśmy takie podwójne zachowanie Hopfa poniżej 220 mW, co jest poniżej progu pompy dla stabilnego reżimu pracy impulsowej" – komentuje dr Katarzyna Krupa.

Dr Tomasz M. Kardaś dodaje zaś: "Rozwiązaliśmy jednokierunkowe równanie (UPPE) dla nieliniowej propagacji impulsów poprzez połączenie różnych modeli. Odkryliśmy, że zmierzone długotrwałe oscylacje są spowodowane tym, że wysokoenergetyczne impulsy podlegające znacznemu poszerzeniu widma w konsekwencji tracą znaczną ilość energii po przejściu przez filtr widmowy znajdujący się wewnątrz wnęki".

Badacze po raz pierwszy przedstawili wyniki badań eksperymentalnych, w których zarejestrowano podwójną bifurkacją Hopfa podczas pracy lasera. Co więcej, odtworzyli je, łącząc różne modele matematyczne umożliwiając następnie przewidywanie wystąpienia tego zjawiska.

"Wyniki zademonstrowane przez naukowców z IChF PAN mogą pomóc w głębszym zrozumieniu fizyki laserów oraz w optymalizacji konstrukcji wnęk światłowodowych. Ich odkrycia mogą znacząco przyczynić się do dalszego rozwoju najnowocześniejszych technologii poprzez opracowanie nowych źródeł światła. Być może także pomogą usprawnić przemysłowe i biomedyczne urządzenia oparte na laserach" - podsumowuje IChF PAN.

Badania zaprezentowane przez badaczy były dofinansowane przez Fundacje na rzecz Nauki Polskiej – w ramach realizacji projektu TEAM-NET.

PAP - Nauka w Polsce

agt/