Российские физики создали компьютерную модель, которая объясняет, как заставить семь лазеров внутри одного оптоволокна работать синхронно. Как сообщили редакции блога «Игнатий Цукергохер» в пресс-службе Российского Научного Фонда, вместо хаотичного набора частот система генерирует стабильный узкополосный луч — шириной почти в 10 раз уже, чем у стандартных многожильных лазеров.
Разработка поддержана грантом РНФ, результаты опубликованы в журнале High Power Laser Science & Engineering.
Открытие важно для трех индустрий: телекоммуникаций (передача данных на сверхдальние расстояния), промышленности (высокоточная лазерная резка и сварка металлов) и медицины (лазерная хирургия).
Что такое волоконный лазер и в чем его ограничения
Волоконный лазер — это тонкая стеклянная нить с сердцевиной, по которой проходит свет. Такие лазеры широко используются в промышленности для резки и сварки металлов, в медицине — как сверхточные хирургические инструменты, а также в системах передачи данных на дальние расстояния.
Чтобы увеличить мощность лазера, инженеры обычно повышают мощность диодной накачки и расширяют сердцевину волокна. Однако у этого подхода есть побочные эффекты:
- филаментация — разрушение структуры луча при широкой сердцевине;
- самофокусировка излучения, которая может расплавить волокно при высокой мощности.
Многожильные волокна как решение — и их главная проблема
Технология многожильных волокон объединяет несколько тонких световодов в единую систему, что позволяет получить более мощное излучение без побочных эффектов широкой сердцевины. У каждой жилы есть собственное «зеркало» — брэгговская решетка, отражающая свет определенной длины волны и усиливающая его.
Проблема в том, что жилы обычно работают несогласованно: каждое зеркало отражает свет с небольшими отклонениями, из-за чего итоговый луч получается «грязным» — с широким и нестабильным спектром. Такое излучение сложно сфокусировать в точку, что делает лазер непригодным для высокоточной обработки материалов.
Эффект спектрального коллапса: как ученые нашли решение
Ранее физики из Института автоматики и электрометрии СО РАН и Новосибирского государственного университета обнаружили эффект «спектрального коллапса»: если сблизить семь жил волокна настолько, что свет начинает перетекать между ними, вместо семи разрозненных спектральных линий появляется одна — узкая и стабильная. До недавнего времени теории, объясняющей этот механизм, не существовало.
Новая модель закрывает этот пробел. Она учитывает:
- случайные неоднородности волокна;
- шумы излучения;
- нелинейные эффекты распространения света;
- индивидуальные характеристики каждой брэгговской решетки.
Результаты моделирования
Исследователи рассчитали спектр излучения для двух сценариев:
- слабая связь между жилами (расстояние 28 микрометров) — модель предсказала семь независимых линий шириной 0,3–0,7 нанометра, что совпало с реальными экспериментальными данными;
- сильная связь (расстояние 17 микрометров) — модель предсказала спектральный коллапс с шириной итоговой линии всего 0,07 нанометра, почти в 10 раз уже, также в точном соответствии с экспериментом.
Эффект объясняется тем, что при близком расположении жил свет перетекает между ними и синхронизирует все жилы на одной длине волны. Чем больше жил в волокне и чем сильнее связь между ними, тем уже и стабильнее получается спектр генерации лазера.
Перспективы: лазеры с 19 жилами и промышленное применение
По словам руководителя проекта Сергея Бабина, доктора физико-математических наук, академика РАН и директора Института автоматики и электрометрии СО РАН, технология открывает путь к созданию сверхстабильных мощных лазеров:
«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».
Команда планирует смоделировать и провести эксперименты с 19-сердцевинным волокном, а также обсудить возможные промышленные применения технологии с индустриальными партнерами.
