Лаборатория занимается фундаментальным изучением волоконных лазеров, представляющих собой новую систему, в которой оказывается возможным решение классических вопросов гидродинамики. В частности, волоконные лазеры допускают турбулентный и ламинарный режим генерации, при некоторых условиях в них реализуется ламинарно-турбулентный переход. При этом с экспериментальной точки зрения современными средствами оптических измерений оказывается возможным получать существенно больше информации на примере оптических систем, чем в случае систем гидродинамических.
Природа не позволяет увеличивать размер системы без потери когерентности. Например, несмотря на то, что когерентное ламинарное течение в трубах является линейно стабильным, увеличение скорости прокачки жидкости по трубе неизбежно ведет к возникновению турбулентности, что резко повышает сопротивление к прокачке и, как следствие, ведет к экономическим потерям. Для контроля процессов перехода ламинарного течения в турбулентное необходимо детальное понимания механизмов возникновения турбулентности, что является исключительно сложной задачей.
Кроме указанной фундаментальной проблематики также изучаются вопросы по реализации и описанию новых режимов генерации волоконных лазеров для нового класса применений. В частности, рассматриваются новые механизмы достижения синхронизации мод в линейных волоконных лазерах. Также ведется работа по получению ламинарной генерации в виде межимпульсного излучения в волоконных лазерах шумовых импульсов, что является аналогом системы турбулентных «пуффов» на ламинарном фоне в течениях в трубах.
Случайные волоконные лазеры привлекают большое внимание исследователей благодаря широкому спектру возможных применений, и умение предсказывать и управлять свойствами спектра излучения таких лазеров является важным достижением как в фундаментальном, так и в практическом плане. Традиционная схема лазера включает в себя активную среду, помещенную между двумя зеркалами. Активная среда обеспечивает усиление и генерацию света, тогда как зеркала обеспечивают положительную обратную связь, отражая усиленное излучение обратно в резонатор. В случайных лазерах нет зеркал лазерного резонатора, а положительная обратная связь формируется за счет случайного многократного отражения света на неоднородностях усиливающей среды.
В 2010 году в журнале Nature Photonics исследователи лаборатории описали концепцию случайной генерации в обычном оптическом волокне, которое используется в телекоммуникационных линиях передачи данных. В предложенном волоконном случайном лазере рэлеевское рассеяние было использовано для достижения лазерной генерации без использования каких-либо дополнительных зеркал. С этого времени область случайных волоконных лазеров получила существенное развитие и было продемонстрировано большое количество различных систем на основе случайных волоконных лазеров, которые могут применяться как простые и удобные источники лазерного излучения в различных применениях, в том числе в системах передачи данных и в распределенных волоконных сенсорных системах для контроля различных физических параметров (температура, растяжение, вибрации) на расстоянии.
Российские физики в рамках большой совместной работы Новосибирского государственного университета, Института автоматики и электрометрии СО РАН, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, Астонского университета (Англия), Московского физико-технического института, Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Вайцманского института (Израиль) пересмотрели основы волнового кинетического подхода и построили формализм, позволяющий описывать свойства систем, в том числе свойства случайных волоконных лазеров и других оптических систем, описание которых невозможно в рамках традиционного кинетического подхода. Впервые была построена нелинейная статистическая теория формирования спектра лазерного излучения, тем самым был расширен подход нобелевских лауреатов А. Шавлова и Ч. Таунса, более 50 лет назад описавших принципы формирования спектра лазерного излучения в рамках линейной теории. Специально проведенный эксперимент подтвердил предсказания развитой нелинейной теории.
С точки зрения фундаментальной науки, полученные результаты представляют несомненный интерес. Результаты работы могут быть применены для описания нелинейной эволюции в широком классе диссипативных систем. Помимо оптических систем, таких как лазеры с нестабилизированным резонатором, многомодовые лазеры, периодические системы передачи данных, предложенный подход будет полезен для решения задач в метеорологии (описание долговременных усредненных годичных колебаний температуры при учете суточного и годичного циклов), описании процессов циркуляции крови в организме (например, перестройка функций организма при переходе из ходьбы в бег с учетом сердечного ритма) и прочих системах, в которых имеется циклическая эволюция по заданному масштабу времени.
Еще один результат работы лаборатории касается понимания основ режимов генерации волоконных лазеров. Экспериментальное изучение пространственно-временных режимов генерации дает принципиально новые возможности по исследованию сложной физики генерации и понимаю процессов, ведущих к формированию лазерного излучения, что, в свою очередь, позволяет разрабатывать лазеры, излучающие в новых режимах генерации для практических применений.
Международные партнеры лаборатории: Aston University (UK), Australian National University (Canberra), University of Electronic Science and Technology (Chengdu, Sichuan, China), Zecotek Co. Ltd (Vancouver).
Кафедра квантовой оптики Физического факультета НГУ
Институт автоматики и электрометрии СО РАН
Институт ядерной физики СО РАН
