Учёные создали компьютерную схема, объяснившую сужение спектра в многожильном волоконном лазер

Учёные создали компьютерную модель, которая демонстрирует, как работает многожильный волоконный лазер и как получить узкий и стабильный спектр. Расчёты показали, что при близком расположении световодов и свободном перетекании света между ними несколько линий объединяются в одну. В соответствии с заявлению исследователй, ширина линии почти в десять раз меньше, чем при разнесённых световодах. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале High Power Laser Science & Engineering.

Волоконный лазер — это тонкое стеклянное волокно с сердцевиной, по которой проходит свет. Такие устройства используют для резки и сварки металлов, в медицинских инструментах и в системах передачи данных. Чтобы увеличить мощность, повышают накачку и расширяют сердцевину. Это приводит к нежелательным эффектам, в том числе филаментацию луча и самофокусировку, в связи с которой волокно может разрушиться.

Многожильные волокна состоят из нескольких световодов и позволяют получить более высокую мощность. В каждой жиле есть брэгговская решётка, которая отражает свет на нужной длине волны и усиливает его. Но такие световоды работают несогласованно, так как решётки немного различаются. В итоге спектр получается широким и нестабильным, и такой луч трудно сфокусировать.

Ранее исследователи из Института автоматики и электрометрии СО РАН и Новосибирского государственного университета обнаружили эффект «схлопывания» спектра. Если жилы расположены близко, свет начинает переходить между ними, и вместо нескольких линий появляется одна узкая линия. Одновременно не было модели, которая объясняла бы этот процесс и позволяла им управлять.

В новой работе учёные создали модель, учитывающую неоднородности волокна, шумы, нелинейные эффекты и параметры брэгговских решёток. Специалисты рассмотрели два случая. В первом расстояние между световодами составило 28 микрометров, связь была слабой и свет не переходил между жилами. Во втором расстояние сократили до 17 микрометров, и связь стала сильной.

В первом случае модель показала семь отдельных линий. Общая ширина спектра составила от 0,3 до 0,7 нанометра. Во втором случае линии объединились в одну с шириной около 0,07 нанометра. Эти информация совпали с экспериментом.

Эффект связан с тем, что при близком расположении жил свет свободно переходит между ними. В итоге все световоды излучают на одной длине волны. Чем больше жил и чем сильнее связь между ними, тем уже и стабильнее спектр.

Как отметил руководитель проекта, доктор физико-математических наук, академик РАН и директор Института автоматики и электрометрии СО РАН Сергей Бабин, такие лазеры можно применять для точной обработки материалов, в оптоволоконной связи, медицине и спектроскопии. В соответствии с заявлению Сергея Бабина, при увеличении числа жил до 19 можно получить ещё более узкую линию. Руководитель проекта равным образом сообщил, что в дальнейшем планируются новые расчёты, эксперименты и обсуждение применения с промышленными партнёрами.