В настоящее время многосердцевинные оптические волокна (multi-core fibers, MCF) используются в различных областях фотоники. Они представляют собой расположенные под одной общей оболочкой сердцевины, по каждой из которых возможна независимая передача оптических сигналов. Главным образом MCF применяются для создания перспективных волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью. Однако они также могут найти применение в лазерных технологиях. В частности, многообещающим направлением исследований является изучение возможности нелинейного сложения и сжатия оптических импульсов с использованием MCF для создания новых лазерных источников излучения высокой мощности. Результатам данного исследования посвящена статья сотрудников Института, вышедшая в журнале «Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics».
В данном подходе предлагается одновременно вводить во все сердцевины MCF одинаковые оптические импульсы, а на выходе из световода в одной из сердцевин получать импульс, обладающий энергией, близкой к сумме энергий начальных импульсов, а также имеющий сокращенную в несколько раз длительность. Предлагаемый подход основан на использовании возникающих при распространении оптических импульсов нелинейных эффектов, которые, как правило, нежелательны в телекоммуникационных приложениях. Одним из преимуществ данного подхода по сравнению с линейным сложением импульсов является значительно сниженная чувствительность к фазовым колебаниям введенных в световод оптических пучков. Кроме того, пиковая мощность генерируемых импульсов нелинейным образом возрастает при увеличении числа сердцевин используемого волокна. Устройства на основе предлагаемой схемы с использованием MCF должны содержать меньше компонент в своем составе, а значит, быть проще и дешевле существующих устройств. В перспективе лазеры на основе данной схемы позволят генерировать сверхкороткие импульсы с пиковой мощностью в несколько мегаватт, которые могут найти применение в различных областях промышленности, например, при обработке материалов. Данная технология может быть использована в перспективных станках лазерной резки, позволяющих получать узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Волоконные лазеры, составляющие основу станка лазерной резки, при использовании многосердцевинного световода будут требовать меньших затрат электроэнергии для получения импульса с заданной пиковой мощностью, что в конечном итоге позволит существенно удешевить технологию лазерной резки металлов.
В предыдущих работах по данной тематике рассматривались распространенные на практике структуры MCF с линейно связанными сердцевинами - кольцевые, гексагональные и квадратные структуры с различным количеством сердцевин. Был проведен сравнительный анализ эффективности сложения и максимально возможного сжатия импульсов. Данная статья существенно расширяет предыдущие работы, в ней численно демонстрируется возможность одновременного когерентного сложения и временного сжатия импульсного лазерного излучения в любой сердцевине 7-сердцевинного гексагонального нелинейного MCF с линейно связанными сердцевинами. Рассматривается гексагональная структура сердцевин, которая, как было показано в более ранних работах, обладает значительно лучшими характеристиками в плане эффективности сложения импульсов по сравнению с кольцевой структурой. Более того, требуемая длина гексагонального MCF для получения сложенного импульса намного меньше, чем в случае световода с кольцевой структурой. В гексагональных волокнах большее количество соседствующих сердцевин усиливает нелинейные эффекты из-за увеличения количества задействованной энергии, что приводит к более устойчивому и эффективному сжатию и сложению. Преимущество предлагаемой в статье схемы сложения заключается в том, что пространственная фокусировка и временное сжатие достигаются только путем выбора параметров начальных импульсов, в частности, фаз, тогда как параметры оптического волокна остаются неизменным.
В работе продемонстрировано, что эффективность сложения импульсов может быть значительно увеличена за счет добавления положительной линейной частотной модуляции (чирпа) во времени для входных гауссовых импульсов. Кроме того, показано, что добавлением временного чирпа к входным импульсам может быть уменьшена доля энергии в пьедестале сжатых импульсов, выходящих из выбранной сердцевины MCF, что означает улучшение качества генерируемых импульсов. Главным результатом работы является демонстрация возможности формирования пространственного волнового фронта внутри MCF путем подбора фаз начальных гауссовых импульсов с помощью генетического алгоритма. Это позволяет достичь фокусировки света как в центральной, так и в периферийной сердцевине 7-сердцевинного гексагонального MCF с одновременным временным сжатием генерируемого импульса до 100 раз. В работе показана устойчивость данной схемы сложения и сжатия по отношению к различным флуктуациям параметров начальных сигналов и неоднородностей геометрии волокна, а также исследована зависимость максимально достижимой эффективности сложения начальных импульсов от заданного требования к степени сжатия генерируемого импульса.
Данное научное исследование выполняется международным коллективом авторов, среди которых сотрудники Института к.ф.-м.н. И.С. Чеховской, к.ф.-м.н. О.В. Штырина и чл.-корр. РАН М.П. Федорук. Научная статья с результатами исследования под названием «Nonlinear discrete wavefront shaping for spatiotemporal pulse compression with multicore fibers» вышла в журнале «Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics», входящем в первый квартиль журналов по версии SJR.
Рис.1. (а) - конфигурация 7-сердцевинного волокна. (b) - максимальная эффективность сложения в зависимости от параметра сжатия импульсов. (c) - динамика оптического поля в различных ядрах
