Негармонические двухцветные фемтосекундные лазеры достигают 1000-кратного усиления выходного белого света в H₂O
Используя негармоническое двухцветное фемтосекундное лазерное возбуждение, учёные из Института молекулярных наук (NINS, Япония) и SOKENDAI открыли новый оптический принцип, который позволяет генерировать в воде значительно более сильный свет, достигая 1000-кратного увеличения выходного сигнала широкополосного белого света по сравнению с традиционными методами. В эксперименте было использовано негармоническое двухцветное фемтосекундное лазерное возбуждение, при котором две длины волн лазера не имеют целочисленного соотношения частот. Хотя комбинации гармоник (такие как основная и вторая гармоники света) широко используются в нелинейной оптике, это первая демонстрация того, что негармоническое возбуждение в воде может открыть мощный режим взаимодействия света с веществом. Эта работа опубликована в журнале Optics Letters.
Рис. 1. Экспериментальная демонстрация того, что негармоническое двухцветное фемтосекундное возбуждение создаёт в воде примерно в 1000 раз более сильный суперконтинуум по сравнению с обычным одноцветным возбуждением. Источник: Институт молекулярных наук / Цунето Канаи.
Сфокусировав два сверхкоротких импульса — 1036 нм и нецелочисленную исходную длину волны (например, 1300 нм) — в воде, исследователи значительно усилили нелинейные оптические эффекты, включая сжатие солитонов, излучение дисперсионных волн, четырехволновое смешение и перекрестную фазовую модуляцию.
Эти кооперативные эффекты создают исключительно яркий суперконтинуум – источник белого света, похожий на радугу, – критически важный для сверхбыстрой спектроскопии и визуализации. Контрольные эксперименты в тяжёлой воде (D₂O) не выявили сопоставимого усиления, что свидетельствует о том, что эффект обусловлен специфическими для воды условиями дисперсии и резонанса.
Рис. 2. Зависящие от длины волны дисперсия и условия фазового рассогласования при четырёхволновом взаимодействии в обычной воде (H₂O) и тяжёлой воде (D₂O). На рисунке показано, как уникальная дисперсия воды обеспечивает эффективную нелинейную оптическую связь при негармоническом двухцветном возбуждении, в то время как D₂O не удовлетворяет тем же условиям резонанса и согласования групповых скоростей. Это различие объясняет, почему резкое усиление генерации суперконтинуума происходит только в H₂O. Источник: Институт молекулярных наук / Цунето Канаи.
Рис. 3. Измеренные спектры белого света, генерируемые в H₂O и D₂O при негармоническом двухцветном возбуждении. Резкое усиление широкополосной полосы наблюдается только в H₂O, что свидетельствует о том, что эффект обусловлен специфической для воды дисперсией и сверхбыстрыми путями взаимодействия. Отсутствие усиления в D₂O подтверждает, что тонкие молекулярные и колебательные свойства воды определяют нелинейный оптический отклик. Источник: Институт молекулярных наук / Цунето Канаи.
Эти результаты могут ускорить прорывы в следующих областях:
— биофотоника глубоких тканей;
— спектроскопия водной фазы и интерфейса;
— аттосекундные исследования динамики электронов в воде;
— оптическое зондирование и нелинейные фотонные технологии.
Эта работа открывает новые горизонты в области жидкостной фотоники, используя самую универсальную в мире среду — воду — в качестве платформы для сверхбыстрой оптической науки следующего поколения.
