Российская команда создала модель, раскрывающую сужение спектра многожильного волоконного лазера почти в десять раз

Репортаж от Wedoany，Российские исследователи создали компьютерную модель, демонстрирующую механизм работы многожильного волоконного лазера, и выявили способ получения более узкого и стабильного спектра. Результаты расчетов показывают, что при плотном расположении оптических волноводов и свободном перетекании света между ними несколько спектральных линий сливаются в одну, а ширина линии становится почти в десять раз уже, чем при раздельных волноводах.

Волоконный лазер состоит из тонкого стекловолокна с сердцевиной, по которой распространяется свет. Такие устройства часто используются для резки металла и сварки, в медицинском оборудовании и системах передачи данных. Для повышения мощности обычно требуется увеличить мощность накачки и расширить сердцевину, но это вызывает нежелательные эффекты, такие как филаментация пучка и самофокусировка, что может привести к повреждению волокна.

Многожильное волокно, состоящее из нескольких оптических волноводов, позволяет получить более высокую мощность. Внутри каждой сердцевины установлена брэгговская решетка, которая отражает свет на определенной длине волны и усиливает его интенсивность. Однако из-за незначительных различий между решетками эти волноводы работают несогласованно, что приводит к уширению и нестабильности спектра, затрудняя фокусировку.

Ранее исследователи из Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета обнаружили эффект «коллапса» спектра: при плотном расположении сердцевин свет начинает перетекать между ними, и несколько спектральных линий превращаются в одну узкую. Однако до сих пор отсутствовала модель, объясняющая и контролирующая этот процесс.

В новом исследовании ученые построили модель, учитывающую неоднородность волокна, шумы, нелинейные эффекты и параметры брэгговских решеток. Исследователи сравнили два случая: в первом расстояние между волноводами составляло 28 микрометров, связь была слабой, и свет не перетекал между сердцевинами; во втором расстояние сократили до 17 микрометров, что усилило связь.

В первом случае модель показала семь независимых спектральных линий с общей шириной спектра от 0,3 до 0,7 нанометра. Во втором случае линии слились в одну, ширина которой составила около 0,07 нанометра. Эти данные совпали с результатами экспериментов. Эффект обусловлен свободным перетеканием света при плотном расположении сердцевин, что заставляет все волноводы излучать на одной длине волны; чем больше сердцевин, тем сильнее связь, а спектр становится уже и стабильнее.

Руководитель проекта, доктор физико-математических наук, академик РАН и директор Института автоматики и электрометрии Сергей Бабин отметил, что такие лазеры могут использоваться для прецизионной обработки материалов, волоконно-оптической связи, в медицине и спектроскопии. По словам Сергея Бабина, при увеличении числа сердцевин до 19 можно получить еще более узкую спектральную линию. Он сообщил, что в будущем планируются новые расчеты и эксперименты, а также обсуждение применения с промышленными партнерами. Исследование поддержано Российским научным фондом, а его результаты опубликованы в журнале «High Power Laser Science & Engineering».