Một nhóm nghiên cứu quốc tế, trong đó có nhà khoa học từ Đại học Aston, đã khám phá cách các xung laser “thở” hoạt động. Họ xây dựng được một mô hình toán học duy nhất, lần đầu tiên giải thích cả hai kiểu hành vi laser trong cùng một khung lý thuyết.

Laser siêu nhanh tạo ra những chùm sáng cực ngắn, chỉ kéo dài vài phần nghìn tỷ giây. Nhờ đặc tính này, chúng trở thành công cụ quan trọng trong phẫu thuật mắt, hình ảnh y sinh, xử lý vật liệu chính xác và sản xuất tiên tiến. Việc hiểu rõ hơn về cách laser vận hành sẽ giúp các nhà khoa học kiểm soát chúng tốt hơn, nâng cao độ tin cậy và mở rộng ứng dụng.

Trong khoang laser, các xung sáng có thể hình thành cấu trúc sóng ổn định gọi là soliton. Khác với xung sáng thông thường, soliton giữ nguyên hình dạng khi di chuyển. Thông thường, chúng phát ra đều đặn – gọi là trạng thái ổn định.
Tuy nhiên, ở laser “thở”, soliton lại giãn nở và co lại theo chu kỳ, giống như nhịp thở. Đây là trạng thái phi cân bằng, nghĩa là đầu ra laser liên tục biến đổi.

Hai chế độ thở khác nhau

• Trên ngưỡng công suất: soliton dao động nhanh, hoàn thành chu kỳ chỉ sau vài vòng trong khoang.
• Dưới ngưỡng công suất: quá trình diễn ra chậm, có thể mất hàng trăm đến hàng nghìn vòng mới hoàn tất một dao động.

Trước đây, các nhà khoa học phải dùng hai mô tả toán học riêng biệt cho từng chế độ. Mô hình mới, do nhóm của Tiến sĩ Sonia Boscolo (Viện Công nghệ Quang học Aston) phát triển, đã kết hợp cả hai. Bằng cách đưa vào yếu tố biến đổi chậm của môi trường khuếch đại cùng với mô tả chi tiết khoang laser, mô hình này tái hiện chính xác mọi hành vi quan sát được.

Tiến sĩ Boscolo cho biết:
“Các soliton thở trên và dưới ngưỡng thể hiện hành vi rất khác nhau. Trên ngưỡng, chúng dao động nhanh, có thể khóa với khoang, tạo ra phổ tần số vô tuyến dạng lược và các trạng thái khóa tần số bậc cao. Dưới ngưỡng, chúng tiến hóa chậm hơn nhiều, tạo ra phổ vô tuyến dày đặc nhưng không đồng bộ, và không có dải phụ quang học. Mô phỏng mới của chúng tôi dự đoán chính xác cả hai chu kỳ nhanh và chậm trong cùng một mô hình – điều trước đây được cho là bất khả thi.”

Khung lý thuyết thống nhất này không chỉ khép lại một khoảng trống lâu dài trong khoa học laser, mà còn mở ra công cụ hữu ích cho kỹ sư thiết kế thế hệ laser siêu nhanh tiếp theo. Nó hứa hẹn giúp dự đoán và nghiên cứu hành vi phức tạp của laser dễ dàng hơn, thay vì phải dựa vào nhiều mô phỏng riêng biệt.