Физики разработали уникальное оптоволокно для увеличения мощности лазеров

Ученые из МФТИ и ИРЭ РАН совместно с коллегами из Финляндии создали оптоволокно с экстремально большим размером сердцевины, которое сохраняет когерентные свойства света. Статья была опубликована в журнале Optics Express.

Когда речь заходит об использовании оптоволокна, главным становится вопрос сохранения характеристик света. Существуют два основных параметра, которые в ряде приложений необходимо сохранять: распределение интенсивности в поперечном сечении и поляризацию (характеристику направления колебания электрического или магнитного поля в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны). В своей работе исследователи добились выполнения обоих этих условий.

«В данной работе внутри оптоволокна была создана строго определенная структура, различная по двум перпендикулярным осям, причем размеры этой структуры пропорционально изменяются по длине волокна. Такие решения по отдельности уже нашли широкое применение в производстве, и потому крайне важно продолжать разработки в этом направлении», — говорит один из соавторов, сотрудник ИРЭ РАН Василий Устимчик.

Одна из проблем в применении оптоволокна — затухание сигнала в оптических линиях. Решение было придумано уже довольно давно, что и позволило создавать оптоволоконную связь. Но связь — не единственная область, где можно использовать оптические волокна. На сегодняшний день одним из наиболее распространенных типов лазеров являются волоконные лазеры. В них, как и в других видах лазеров, есть резонатор — среда, которую свет многократно проходит в обоих направлениях. Геометрические параметры волоконного резонатора позволяют пучку света иметь на выходе лишь определенные формы поперечного распределения интенсивности излучения, так называемые поперечные моды резонатора. Ученые и инженеры хотят контролировать модовый состав света, причем желательно получить лишь одну чистую фундаментальную моду, не изменяющуюся со временем.

Для поддержки одномодового режима работы волокно должно состоять из сердечника и оболочки — материалов с разными показателями преломления, причем толщина внутренней части, по которой распространяется излучение, составляет, как правило, менее десяти микрометров.

При увеличении оптической мощности света изменяются характеристики волокна, например, происходит неконтролируемое изменение показателя преломления в материале, из которого волокно изготовлено, что ограничивает мощность передаваемых сигналов. Решением этой проблемы, которое использовали и авторы данной статьи, является вариация диаметра сердцевины и оболочки вдоль длины волокна.

При условии, что расширение волокна происходит достаточно медленно, можно сократить долю перекачиваемой в другие моды энергии до уровня ниже одного процента, даже при условии, что диаметр сердцевины волокна может достигать 100 мкм, что является очень большим размером для одномодовых волокон. При этом большой диаметр сердцевины и его нерегулярность по длине волокна увеличивают порог возникновения нелинейных эффектов.

Для решения задачи сохранения поляризации авторы сделали оболочку волокна анизотропной: внутренняя часть оболочки имеет эллиптическую форму, что приводит к тому, что скорость распространения света с различным направлением колебаний поля отличается. Процесс перекачки из одной поляризационной моды в другую при такой структуре волокна практически сходит на нет. В работе ученые показали, что длина пути света через волокно, при которой колебания разных поляризаций оказываются в противофазе — так называемая длина поляризационных биений — находится в обратной зависимости от диаметра. Данная длина соответствует полному обороту состояния поляризации внутри волокна. То есть при вводе линейно поляризованного света в волокно, свет станет снова линейно поляризованным после прохождения именно этой длины по оптическому волокну. Возможность измерения данного параметра сама по себе является свидетельством сохранения поляризации в волокне.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.