0,1 тераватта и почти ноль шума: новый метод создаёт стабильный свет из нестабильных лазеров

Учёные из Массачусетского технологического института и Корнеллского университета нашли способ превращать нестабильные, шумные лазеры в предельно устойчивые световые потоки — вопреки классической физике. Это открытие обещает серьёзный прогресс в фотонных технологиях, где требуются одновременно высокая мощность и точность.

Повышение мощности лазера традиционно приводит к росту «шума» — случайных флуктуаций интенсивности. Это ограничивает применение лазеров в задачах, где критична стабильность излучения, будь то научные измерения, промышленная резка или медицинская диагностика.

Новая техника, представленная в Nature Photonics, показывает, как такие шумные и усиленные лазеры можно преобразовать в источник так называемого «интенсивностно-сжатого» света. Речь идёт о состоянии, где колебания числа фотонов меньше фундаментального предела, установленного квантовой механикой.

Ключ к преобразованию — комбинация нелинейного оптического волокна и спектрального фильтра. Лазерные импульсы пропускаются через волокно, где запускается процесс четырёхволнового смешения: энергия перераспределяется между различными частотами света, устанавливая между ними корреляции. Далее программируемый фильтр выделяет наиболее стабильные комбинации частот, среди которых были зафиксированы уровни шума, сниженные в 30 раз по сравнению с исходным лазером. При этом пиковая интенсивность сохранилась — до 0,1 тераватта на квадратный сантиметр.

Особенность открытия в том, что для генерации квантового света теперь не требуются дорогостоящие малошумные источники. По словам Николаса Риверы, доцента Корнеллского университета и одного из авторов исследования, теперь использовать можно куда более доступные усиленные лазеры, широко распространённые в научных лабораториях и промышленности.

Исследователи также разработали новую модель, позволяющую предсказывать поведение квантового шума на основе классических симуляций. Это не только объясняет наблюдаемые эффекты, но и открывает путь для адаптации метода к другим лазерным системам .

Ривера отмечает, что дальнейшая цель команды — масштабирование подхода на более мощные лазеры. В перспективе метод может быть применён за пределами лабораторий, например, в системах оптоволоконной связи, где для передачи сигнала через океан используют усиление мощности.

К исследованию присоединились учёные из Гарварда, Стэнфорда, Бостонского университета, Техниона и Университета Центральной Флориды.