То, что мешает, то и поможет
Случайный волоконный лазер генерирует излучение благодаря рассеянию света.
В оптоволоконных системах связи информация передается светом, распространяющимся в кабеле из прозрачного материала. В настоящее время они получили широкое распространение. Наряду с большими достоинствами оптоволокно имеет и существенный недостаток – из-за рассеяния света в материале кабеля энергия излучения практически полностью теряется при прохождении расстояния порядка 100 км, поэтому через каждые 50-70 км на таких линиях стоят дорогостоящие усилители.
Однако некоторое время тому назад физики обратили внимание, что многократное рассеивание может приводить не только к потерям энергии, но и к усилению излучения. Построенные на этом эффекте устройства получили название случайные лазеры, поскольку рассеяние носит случайный характер. В качестве рабочего тела в них использовались, например, размолотые в порошок кристаллы. Их достоинство – в отсутствии резонатора, обязательного элемента традиционного лазера, требующего высокоточного изготовления.
Случайная лазерная генерация из-за рассеяния в волоконных световодах была открыта физиками из Новосибирска в 2010 году. Рассеяние в них слабо, но происходит по всей длине кабеля, которая была велика, около 300 км, так что физикам удалось получить стабильный сигнал. До этого получить устойчивую случайную генерацию не удавалось из-за малости рассеяния в коротких световодах. Однако для практического применения физикам предстояло научиться управлять процессом и подобрать материал кабеля.
20 июля 2016 в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, российские физики сообщили, что им впервые удалось продемонстрировать случайный волоконный лазер на основе висмутового активного световода. В работе приняли участие физики из московского Научного центра волоконной оптики (НЦВО) РАН руководством академика Е.М. Дианова и новосибирского Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН под руководством чл.-корр. РАН С.А. Бабина.
Материалы для световодов с добавлением висмута представляют собой новый тип активных сред, предложенный и активно развиваемый в НЦВО РАН, в основном для создания сверхширокополосных усилителей для оптоволоконных линий связи. Активными такие среды названы благодаря тому, что не только пропускают излучение, но и сами способны генерировать люминесцентное излучение, что и позволяет их использовать для усиления сигнала. Именно активные световоды, используемые и в обычных волоконных лазерах, наиболее оптимально подходят для использования в случайных лазерах, которые разрабатываются в Новосибирске. По сравнению с другими добавками повышение концентрации висмута ведёт к его кластеризации (образованию групп) и соответственно увеличению коэффициента рассеяния, что позволяет уменьшить необходимую длину волокна.
Получившийся в результате сотрудничества случайный волоконный лазер обладает не только компактной и простой схемой, но и уникальными выходными характеристиками. В частности, у него высокий коэффициент полезного действия по лазерной генерации, то есть велика доля рассеиваемой энергии превращающейся в лазерное излучение. Ширина спектра (диапазон частот) оказалась даже в 3 раза меньше, чем у обычного лазера с двухзеркальным резонатором в том же световоде. А это влияет на такой важный параметр как длина когерентности, определяющий как быстро в световоде колебания утрачивают согласованность. Исследователи также построили теоретическую модель работы такого лазера, объясняющую его свойства.
Помимо использования в системах связи подобные лазеры найдут применение для создания новых источников света, используемых в различных технологиях визуализации, например, в микроскопии, биомедицинской диагностике и лазерных дисплеях. Особенно важно то, что их спектр позволит улучшить чёткость получаемых изображений.
По материалам пресс релиза новосибирского Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН
