Новый шаг к мощным лазерам: впервые получен однородный световой пучок в семиканальном оптоволокне

Ученые экспериментально и теоретически показали, что лазерные лучи, проходящие в оптоволокне по близко расположенным каналам, при высокой мощности распределяются по ним равномерно и формируют однородный и стабильный суммарный световой пучок. Это происходит потому, что исходные импульсы сначала распадаются на множество более мелких, которые «перемешиваются» и равномерно распределяют свет по отдельным каналам. Полученные данные будут полезны при разработке оптоэлектронных систем связи, сенсорики, визуализации, лазерного медицинского оборудования и промышленных лазерных систем. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Opto-Electronic Advances.

Оптические волокна — каналы для передачи света на большие расстояния практически без потерь — широко используются в системах связи (в том числе в интернет-сетях). В последние годы физики активно исследуют новый тип таких волокон — многосердцевинные. В отличие от обычного волокна, где свет распространяется по одной тонкой сердцевине (каналу), многосердцевинное содержит несколько расположенных рядом каналов, проводящих свет, — это увеличивает пропускную способность оптоволокна, а также позволяет объединять энергию нескольких каналов для получения световых импульсов большой мощности. Такое усиление можно сравнить с тем, как трасса с несколькими параллельными полосами пропускает более интенсивный поток машин, чем дорога с одной полосой.

Однако у этой технологии есть недостаток: из-за случайных неоднородностей — например, разной мощности лазерных импульсов, проходящих по отдельным каналам, и изгибов волокна — энергия между сердцевинами распределяется хаотично. Из-за этого суммарный пучок получается неоднородным, а сигнал, который он несет, — нестабильным.

Ученые из Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск) нашли способ решить эту проблему. Авторы провели эксперимент с лазерными импульсами разной мощности. Сначала по оптоволокну, состоящему из семи каналов, посылали световые импульсы с низкой пиковой мощностью (130 ватт), сопоставимой с той, что потребляет лампа накаливания. В таких условиях свет вел себя непредсказуемо: он беспорядочно «переключался» между каналами, из-за чего в одних каналах излучение на выходе получалось мощнее, в других — слабее.

Затем авторы увеличили мощность в десятки раз — до нескольких киловатт. В этом случае свет исходных лучей начал равномерно распределяться по всем каналам, создавая стабильный поток.

Моделирование показало: этот эффект связан с тем, что при высокой мощности преломление света в каналах изменилось из-за нелинейности, а сами лучи «разбились» на множество более мелких импульсов. Те, в свою очередь, перемешались между каналами, создав усредненный однородный пучок света.

«Равномерное распределение света по нескольким каналам в оптоволокне открывает новые возможности для увеличения объема информации, которую могут передать существующие линии связи. Поэтому полученные нами результаты помогут разработать более совершенные телекоммуникационные системы. Кроме того, такая технология позволит улучшить лазерное медицинское и промышленное оборудование, системы визуализации и мониторинга окружающей среды. В дальнейшем мы планируем проверить, как на «перемешивание» лазерных пучков влияет форма каналов, по которым они проходят, а также длительность и спектр передаваемых импульсов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Бабин, доктор физико-математических наук, академик РАН, заведующий лабораторией волоконной оптики ИАиЭ СО РАН.

Ранее ученые с помощью математического моделирования определили условия, при которых семь отдельных пучков света с разной длиной волны в многосердцевинном лазере сливаются в единый пучок с очень узким спектром.