Российские ученые объяснили как сузить спектр волоконного лазера почти в 10 раз
Российские ученые создали модель, которая показывает, как семь лазеров в одном волокне можно заставить работать как один. Это поможет создавать мощные и сверхстабильные лазеры для связи, медицины и точной обработки материалов.
Источник: Сергей Бабин / Институт автоматики и электрометрии СО РАН. Фото Алены Колесниковой, делавшей численный расчет.
МОСКВА, 2 июля /Новости науки/. Ученые создали компьютерную модель, объясняющую рекордное сужение спектра многожильного волоконного лазера. Об этом сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
Разработка показывает, как семь световодов внутри одного оптоволокна могут вместо хаотичного набора частот давать один стабильный и узкий луч. По расчетам, если жилы расположить достаточно близко друг к другу, свет начинает свободно перетекать между ними, а семь отдельных линий в спектре «схлопываются» в одну. Ее ширина оказывается почти в 10 раз меньше, чем у лазера со слабо связанными жилами.
«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», — рассказал руководитель проекта, академик РАН, директор Института автоматики и электрометрии СО РАН Сергей Бабин.
Волоконный лазер можно представить как тонкую стеклянную нить, по которой идет свет. Такие лазеры применяют в промышленной резке и сварке металлов, медицинских инструментах и линиях дальней передачи данных. Однако при попытке резко повысить мощность возникают проблемы: луч может разрушаться, самофокусироваться и даже расплавить волокно.
Один из способов обойти это ограничение — использовать не одну широкую жилу, а несколько тонких световодов внутри одного волокна. Каждый из них работает как отдельный маленький лазер, а вместе они могут дать более мощное излучение. Но есть и трудность: если жилы не согласованы между собой, общий луч получается «грязным», с широким и нестабильным спектром. Такой свет трудно сфокусировать в маленькое пятно, что мешает использовать его для высокоточных задач.
Ранее исследователи из Института автоматики и электрометрии СО РАН и Новосибирского государственного университета экспериментально заметили необычный эффект: при близком расположении семи жил вместо семи разных спектральных линий появляется одна общая узкая линия. Теперь ученые построили модель, которая объяснила это «спектральное схлопывание» и показала, как им можно управлять.
Модель учитывает случайные неоднородности волокна, шумы излучения, нелинейные эффекты распространения света и свойства брэгговских решеток — специальных «зеркал», которые отражают свет с определенной длиной волны. Для слабо связанных жил, расположенных на расстоянии 28 микрометров, расчеты дали семь независимых линий и ширину спектра 0,3–0,7 нанометра. Для сильно связанных жил на расстоянии 17 микрометров модель предсказала одну линию шириной всего 0,07 нанометра, что совпало с экспериментом.
По словам авторов, дальнейшая цель — смоделировать и проверить в эксперименте волокно уже с 19 жилами. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале High Power Laser Science & Engineering.
Разработка показывает, как семь световодов внутри одного оптоволокна могут вместо хаотичного набора частот давать один стабильный и узкий луч. По расчетам, если жилы расположить достаточно близко друг к другу, свет начинает свободно перетекать между ними, а семь отдельных линий в спектре «схлопываются» в одну. Ее ширина оказывается почти в 10 раз меньше, чем у лазера со слабо связанными жилами.
«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», — рассказал руководитель проекта, академик РАН, директор Института автоматики и электрометрии СО РАН Сергей Бабин.
Волоконный лазер можно представить как тонкую стеклянную нить, по которой идет свет. Такие лазеры применяют в промышленной резке и сварке металлов, медицинских инструментах и линиях дальней передачи данных. Однако при попытке резко повысить мощность возникают проблемы: луч может разрушаться, самофокусироваться и даже расплавить волокно.
Один из способов обойти это ограничение — использовать не одну широкую жилу, а несколько тонких световодов внутри одного волокна. Каждый из них работает как отдельный маленький лазер, а вместе они могут дать более мощное излучение. Но есть и трудность: если жилы не согласованы между собой, общий луч получается «грязным», с широким и нестабильным спектром. Такой свет трудно сфокусировать в маленькое пятно, что мешает использовать его для высокоточных задач.
Ранее исследователи из Института автоматики и электрометрии СО РАН и Новосибирского государственного университета экспериментально заметили необычный эффект: при близком расположении семи жил вместо семи разных спектральных линий появляется одна общая узкая линия. Теперь ученые построили модель, которая объяснила это «спектральное схлопывание» и показала, как им можно управлять.
Модель учитывает случайные неоднородности волокна, шумы излучения, нелинейные эффекты распространения света и свойства брэгговских решеток — специальных «зеркал», которые отражают свет с определенной длиной волны. Для слабо связанных жил, расположенных на расстоянии 28 микрометров, расчеты дали семь независимых линий и ширину спектра 0,3–0,7 нанометра. Для сильно связанных жил на расстоянии 17 микрометров модель предсказала одну линию шириной всего 0,07 нанометра, что совпало с экспериментом.
По словам авторов, дальнейшая цель — смоделировать и проверить в эксперименте волокно уже с 19 жилами. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале High Power Laser Science & Engineering.
