Международная команда ученых, которую возглавила группа из Лаборатории наноматериалов Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, продемонстрировала возможность управления нелинейно-оптическим откликом углеродных нанотрубок с помощью электрохимического легирования. Данный метод позволил создать устройство для управления длительностью лазерного импульса. Результаты опубликованы в престижном международном журнале Nano Letters.

Оптические явления, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, такие как отражение, преломление или поглощение света, не зависят от интенсивности падающего света. Однако, при очень больших интенсивностях излучения появляется новый класс явлений, приводящих к изменению показателя преломления, самофокусировке света или появлению излучения на новых длинах волн. Их изучением занимается раздел физики под названием нелинейная оптика, которая объединяет явления, зависящие от интенсивности света. Обычно эффективность нелинейно-оптических эффектов определяется структурой вещества, т.е. является его неизменной характеристикой.

Использование наноматериалов в качестве оптически-нелинейной среды открывает новые возможности для управления нелинейностью благодаря тому, что большая часть атомов вещества расположены на поверхности. Это позволяет контролировать электронную структуру вещества и таким образом изменять оптически нелинейный отклик.

Ученые из Сколтеха совместно с коллегами из Научного центра волоконной оптики РАН и Новосибирского государственного университета, а также университета Варвик, Великобритания, предложили метод контроля насыщающегося поглощения углеродных нанотрубок с помощью электрохимического легирования. Насыщающееся поглощение — это нелинейно-оптический эффект, при котором коэффициент поглощения уменьшается при увеличении мощности падающего излучения. Таким образом, материал «просветляется» под действием большой мощности излучения.

— Мы показали, что величиной просветления можно управлять, если поместить наш материал в электро-химическую ячейку. До этого было известно, что если использовать нанотрубки в качестве электродов в такой ячейке, то возможно аккумулировать на их поверхности большое количество заряда. Что не было известно — накопление заряда существенным образом меняет нелинейно-оптический отклик вещества и, в частности, уменьшает насыщающееся поглощение, — рассказывает первый автор исследования, к.ф.-м.н., с.н.с. Юрий Гладуш.

Также авторы продемонстрировали одно из возможных практических применений такого материала с контролируемым нелинейным откликом. Дело в том, что насыщающееся поглощение широко используется в лазерных системах для создания фемтосекундных импульсов света. Для этого достаточно поместить насыщающийся поглотитель с определенными параметрами в лазерный резонатор.

— Мы предположили, что, контролируя нелинейный отклик материала, можно контролировать и режим лазерной генерации. Для этого мы изготовили электрохимическую ячейку с углеродными нанотрубками на поверхности оптического волокна и интегрировали его в резонатор волоконного лазера. Выяснилось, что, подавая напряжение на устройство, можно переключать режим генерации лазера от непрерывного до импульсного длительностью в фемтосекундном и микросекундном диапазонах. Это изобретение открывает путь к созданию универсальных лазерных систем с контролируемой длительностью импульса. Такие системы могут найти применения в лазерной обработке материалов, в лазерной хирургии и эстетической медицине, — прокомментировал заведующий Лабораторией наноматериалов Сколтеха, д.т.н., профессор РАН Альберт Насибулин.