Оптоволокно для мощных лазеров
Оптоволокно с экстремально большим размером сердцевины, которое сохраняет когерентные свойства света, создали ученые из МФТИ и Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН совместно с коллегами из Финляндии. Их статья опубликована в журнале Optics Express.
Одна из проблем в применении оптоволокна — затухание сигнала в оптических линиях. Решение было придумано уже довольно давно, что и позволило создать оптоволоконную связь. Но связь не единственная область, где можно использовать оптические волокна. Один из наиболее распространенных сегодня типов лазеров — волоконные. В них, как и в других типах 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 10 микрон.
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. Решение этой проблемы, которое использовали и авторы статьи, — 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 1% даже при условии, что диаметр сердцевины волокна может достигать 100 микрон — это очень большой размер 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, и это приводит к тому, что скорость распространения света с различным направлением колебаний поля различается. Процесс перекачки из одной поляризационной моды в другую при такой структуре волокна практически сходит на нет.