Учёные создали компьютерную модель, которая показывает, 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. По словам 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, включая филаментацию луча и самофокусировку, из-за 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. При этом 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 данные совпали с экспериментом.
Эффект связан с тем, что при близком расположении жил свет свободно переходит между ними. В результате 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 использовать для точной обработки материалов, в оптоволоконной связи, медицине и спектроскопии. По словам Сергея Бабина, при увеличении числа жил до 19 можно получить ещё более узкую линию. Руководитель проекта также сообщил, что в дальнейшем планируются новые расчёты, эксперименты и обсуждение применения с промышленными партнёрами.
Источник: habr.com