Ученые из Института автоматики и электрометрии СО РАН и Новосибирского государственного университета разработали компьютерную модель, которая впервые объяснила механизм так называемого «спектрального схлопывания» в семижильном волоконном лазере. Расчеты показали, что при сильной оптической связи между жилами семь отдельных полос генерации объединяются в одну чрезвычайно узкую спектральную линию. Это открывает возможности для создания более мощных и одновременно сверхстабильных волоконных лазеров, востребованных в оптоволоконной связи, высокоточной обработке материалов, спектроскопии и лазерной хирургии. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
Обычный волоконный лазер представляет собой тонкую стеклянную трубку с сердцевиной, по которой распространяется свет. Повышение мощности таких устройств ограничено физическими эффектами: при увеличении диаметра сердцевины возникают филаментация луча, самофокусировка и риск повреждения самого волокна. Одним из решений стали многожильные волокна, состоящие сразу из нескольких световодов. Однако у такой конструкции есть серьезный недостаток: каждая жила генерирует свет на своей длине волны, поскольку ее брэгговская решетка отражает излучение по-разному. В результате общий спектр становится широким и нестабильным, а луч трудно сфокусировать в маленькое пятно.
Что показала новая модель
Авторы включили в модель случайные неоднородности волокна, шумы, нелинейные эффекты распространения света и характеристики каждой брэгговской решетки. Затем были смоделированы два варианта конструкции: со слабой связью между жилами при расстоянии около 28 микрометров и с сильной связью при расстоянии около 17 микрометров.
В первом случае модель воспроизвела семь независимых линий генерации с общей шириной спектра 0,3-0,7 нанометра. Во втором случае произошло «схлопывание» спектра: вместо семи линий возникла одна общая шириной всего около 0,07 нанометра — почти в десять раз уже предыдущего варианта. Исследователи объяснили этот эффект тем, что при тесном расположении жил свет начинает свободно перетекать между ними, заставляя всю систему излучать на единой длине волны.
Следующий шаг — лазер с 19 жилами
Модель также предсказывает, что увеличение числа жил еще сильнее сузит спектр. По оценкам авторов, использование 19-сердцевинного волокна позволит получить линию генерации более чем на порядок уже, чем у лучших одножильных лазеров аналогичной мощности. В ближайших планах исследователей — моделирование и экспериментальная проверка такой конструкции совместно с индустриальными партнерами.
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.Сергей Бабин
Недавно стало известно, что медицинские имплантаты будут шлифовать лазером. Hi-Tech Mail разобрался, зачем это нужно.