Для генерации когерентного светового излучения высокой мощности с заданными характеристиками (поляризацией, количеством мод) в настоящее время наиболее широко применяются оптоволоконные лазеры, в которых резонатор представляет собой отрезок оптоволокна.
Поскольку и в научных исследованиях, и в инженерных приложениях, как правило, требуется обеспечение высокостабильного одномодового режима излучения (а это до сих пор не получалось при высоких уровнях оптической мощности), уже довольно давно стало ясно, что именно в этом отрезке «нужно что-то делать». Но что?
Теорией установлено, а практикой подтверждено, что для создания условий генерации только одной моды излучения поперечная структура оптоволокна должна быть сформирована в виде светопроводящей сердцевины (по которой распространяется луч света) и окружающей ее оболочки, с немного меньшей величиной показателя оптического преломления, чем в материале сердцевины. При этом диаметр сердцевины не может превышать 10 мкм. Однако при высоких уровнях мощности в этой конструкции оптоволокна вследствие роста поглощаемой энергии света происходят изменения показателей преломления материалов сердцевины и оболочки (в большей степени в сердцевине), что приводит к искажению их начального соотношения, вследствие которого возникают паразитные нелинейные эффекты.
Понятно, что если есть «паразиты», то от них нужно как-то избавиться. Но как? — Над решением этой задачи работают много лет в самых авторитетных лабораториях мира. И вот недавно это решение найдено российско-финской научной группой, в которой работают исследователи МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Российского квантового центра и Исследовательского центра оптоэлектроники Технологического университета Тампере. В двух словах решение заключается, во-первых, в изменении диаметра сердцевины вдоль оси оптоволокна и, во-вторых, в использовании для оболочки анизотропного материала (вещества, обладающего различными показателями скорости распространения света в различных направлениях).
Исследователи экспериментально установили, что при соблюдении «низкоскоростного» градиента размера диаметра сердцевины от 8-ми до 70 мкм на отрезке оптоволоконного резонатора лазера повышение уровня мощности оптического сигнала приводит к незначительной потере энергии основной моды — менее 1%.
Использование же анизотропной оболочки сердцевины обеспечивает неизменность поляризации света в оптоволокне. Экспериментально установлено, что при придании внутренней части оболочки формы эллипса (благодаря чему скорость распространения света в различных направлениях различна), переход из одной поляризационной моды в другие практически исключен.
Изобретенное российско-финской группой «градиентно-анизотропное» оптоволокно, изначально ориентированное на применение в сверхмощных лазерах и усилителях оптического излучения, может также использоваться в системах передач данных с высокой мощностью светового луча, так как оно устраняет одно из ключевых ограничений — невозможность формирования сердцевины оптоволокна с достаточно большими толщинами. Другие сферы применения нового оптоволокна — оптические датчики температуры, давления и других физических величин, построенных на принципах так называемого «распределенного детектирования».
См. также:
- «Речь в текст» — в России создана система автоматического преобразования голоса в читаемый текст
- Кто и как даёт самые точные прогнозы погоды в мире?
- Разработана самая быстрая система защиты АСУ ТП для энергетических и промышленных объектов