Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск) и Новосибирского государственного университета создали компьютерную модель, которая объясняет, как заставить семь лазеров в одном оптоволокне генерировать не излучение с хаотичным набором частот, а стабильный и узкополосный луч.
Расчёты показали: если световоды расположены достаточно близко друг к другу и свет свободно перетекает между ними, семь разных линий «схлопываются» в одну. Её ширина оказывается почти в 10 раз уже, чем в случае далеко расположенных друг от друга световодов. Это открывает путь к созданию мощных сверхстабильных волоконных лазеров для передачи информации на сверхдальние расстояния, высокоточной лазерной обработки материалов и лазерной хирургии. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале High Power Laser Science & Engineering.
Волоконный лазер — это тонкая стеклянная нить с сердцевиной (жилой), по которой проходит свет. Такие лазеры используются для резки и сварки металлов в промышленности, в сверхточных медицинских скальпелях и для передачи данных на дальние расстояния. Чтобы увеличить выходную мощность лазера, нужно подавать большую мощность диодной накачки и сделать сердцевину шире. Но широкая сердцевина порождает вредные эффекты, например, разрушение (филаментацию) луча, а слишком мощное излучение может самофокусироваться и расплавить волокно.
Фото Алены Колесниковой, делавшей численный расчет. Сергей Бабин / Институт автоматики и электрометрии СО РАНРешить эту проблему можно с помощью лазеров на многожильных волокнах, которые состоят из нескольких световодов (жил), то есть условно представляют собой лазер, состоящий из более тонких лазеров. Такая конструкция позволяет получить более мощное излучение. Кроме того, у каждого световода может быть свое «зеркало» — брэгговская решётка, многократно отражающая свет с определённой длиной волны в активной жиле, которая усиливает его. Однако у таких устройств есть недостаток: отдельные световоды работают хаотично (несогласованно друг с другом), из-за того, что каждое зеркало отражает свет немного по-разному. В итоге общий луч получается «грязным» — с широким и нестабильным спектром. Поэтому свет такого многожильного лазера сложно сфокусировать в одно маленькое пятно и невозможно применять, например, для высокоточной лазерной обработки материалов.
Ранее сотрудники ИАиЭ СО РАН вместе с коллегами из Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН обнаружили удивительный эффект: если расположить жилы достаточно близко друг к другу — так, чтобы свет начал перетекать из одной в другую, — то в волноводе из семи жил вместо семи разных линий появляется одна общая, очень узкая и стабильная. Это явление назвали «спектральным коллапсом» или «схлопыванием». Однако до сих пор не было теории, которая бы объясняла, как именно это работает для семи жил и как управлять шириной полученной линии.
Графики профиля пучка и спектра многосердцевинного волоконного лазера с несвязанными и связанными сердцевинами. Alena Yu. Kolesnikova et al. / High Power Laser Science & EngineeringВ новой работе исследователи создали компьютерную модель, которая объясняет, как добиться сужения спектра в таких системах. Модель учитывает случайные неоднородности волокна, шумы излучения, нелинейные эффекты распространения света в оптоволокне и характеристики каждого зеркала — брэгговской решётки. С её помощью авторы рассчитали спектр выходного излучения для двух случаев: когда световоды расположены на расстоянии 28 микрометров и имеют слабую связь, из-за чего свет не перетекает из одного в другой, и когда они очень близко друг к другу (17 микрометров) и имеют сильную связь.
Для слабосвязанных жил модель выдала набор из семи независимых линий — ровно то, что исследователи получили в реальном эксперименте. А общая ширина спектра излучения составила 0,3–0,7 нанометров, что довольно плохой результат для лазеров такого типа. Для сильносвязанных жил модель предсказала «схлопывание». Рассчитанная ширина общей линии составила всего 0,07 нанометров — почти в 10 раз уже, чем в несвязанном случае, в полном соответствии с экспериментальными результатами.
Наблюдаемый эффект объясняется тем, что, когда жилы в волокне расположены достаточно близко, свет начинает перетекать между ними. Это заставляет все жилы светить на одной и той же длине волны (одним цветом). В результате общий луч получается очень чистым и узким — как одна тонкая линия в спектре. И чем больше жил и чем сильнее связь между ними, тем уже и стабильнее спектр генерации многосердцевинного волоконного лазера.
«Лазер, испускающий такой луч, будет полезен при точной резке металлов, в элементах оптоволоконной связи, лазерной медицине и спектроскопии высокого разрешения. Если взять волокно с еще большим числом жил (например, 19) и сильной связью между ними, можно получить экстремально узкую линию — более чем на порядок уже, чем у лучших одножильных лазеров той же мощности. Это открывает путь к созданию сверхстабильных по частоте мощных лазеров для разных задач. В дальнейшем мы планируем смоделировать и провести эксперименты с 19-сердцевинным волокном, а также обсудим возможные применения таких лазеров с нашими индустриальными партнерами», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Бабин, доктор физико-математических наук, академик РАН, директор Института автоматики и электрометрии СО РАН.