ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ С ПОЛОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-116-117

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ С ПОЛОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Гладышев А.В.

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН,

г. Москва E-mail: [email protected]

Волоконные световоды, создаваемые на основе кварцевого стекла, стали неотъемлемой частью нашей жизни. Кварцевые световоды составляют основу современных линий связи, используются для создания волоконно-оптических датчиков и волоконных лазеров, нашедших многочисленные применения от обработки материалов до биомедицины.

Вместе с тем, кварцевое стекло как материал сердцевины световода накладывает фундаментальные ограничения на такие параметры световодов как минимально возможные оптические потери, рабочий спектральный диапазон, оптическая прочность и др.

Создание световодов с полой сердцевиной (СПС) открыло новые возможности для обхода указанных ограничений [1, 2]. Исключительно сильная локализация излучения в полой сердцевине стала возможной с появлением СПС с отрицательной кривизной поверхности сердцевина-оболочка [3-6], в которых доля оптической мощности в оболочке световода составляет менее 10-5. Одним из наиболее перспективных типов таких световодов являются револьверные световоды (РС) (Рис.1) [7].

Минимальные оптические потери, полученные за последний год в кварцевых РС, составляют 0,22 [8] и 0,28 дБ/км [9] на длинах волн 1625 и 1550 нм, соответственно, что очень близко к пределу в современных телекоммуникационных световодах (~0.15 дБ/км, X = 1550 нм). Однако, благодаря полой сердцевине, в РС существенно подавлены такие фундаментальные механизмы оптических потерь как рэлеевское рассеяние, электронное и фононное поглощение, которые являются ограничивающими факторами в световодах с твердотельной сердцевиной. Таким образом, револьверные световоды допускают дальнейшее снижение оптических потерь и рассматриваются как перспективные для следующего поколения волоконно-оптических линий связи.

Высокая радиационная стойкость является еще одним важным преимуществом револьверных световодов. На сегодняшний день в кварцевых РС экспериментально продемонстрирована передача ультрафиолетового излучения [10, 11], при этом пропускание световода не деградирует со временем, несмотря на высокую энергию в импульсе излучения (до 160 мкДж, т = 20 пс, X = 355 нм, [11]). В спектральной области около X = 1 мкм, в которой имеются коммерчески доступные неодимовые и иттербиевые лазеры, в полых световодах продемонстрирована передача фемтосекундных импульсов с энергией ~1 мДж и интенсивностью ~1014 Вт/см2 [12]. На сегодняшний день идет практическое внедрение СПС для доставки высокоинтенсивного излучения и обработки материалов.

Рис.1. (а)-(с) Микрофотографии поперечного сечения револьверных световодов. (й) Семейство полых световодов с отрицательной кривизной границы сердцевина-оболочка (рисунок взят из статьи [7])

116

№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]

Лазер накачки

Полый световод \)

Рис.2. Типичная однопроходная схема газовых волоконных лазеров

Локализация высокоинтенсивного излучения в сердцевине малого диаметра на протяжении большой длины СПС делает такие световоды идеальным объектом исследований в нелинейной оптике. При этом роль активной среды играет газ, заполняющий полую сердцевину. При накачке РС, заполненных благородными газами, фемтосекундными импульсами на длине волны 1 мкм, продемонстрирована эффективная генерация УФ излучения в диапазоне 100-500 нм [13]. Кроме того, в режиме генерации высоких гармоник достигнута генерация в вакуумном УФ диапазоне вплоть до длины волны 20 нм [14].

Заполнение полых световодов дипольно-активными или комбинационно-активными газами привело к созданию газовых волоконных лазеров (ГВЛ). Даже в однопроходной безрезонаторной схеме (рис. 2) ГВЛ эффективно генерируют излучение среднего ИК диапазона (до ~5 мкм). На сегодняшний день в среднем ИК продемонстрированы как непрерывные ГВЛ [15], так и импульсные ГВЛ, генерирующие наносекундные [16] и фемтосекундные импульсы [17, 18].

Благодаря уникальному сочетанию нелинейных и дисперсионных свойств, которые к тому же могут регулироваться путем изменения давления или состава газа в полой сердцевине, СПС оказались удобным и эффективным средством для нелинейного уширения спектра и сжатия длительности фемтосекундных импульсов. Показано [19], что импульсы длительностью ~300 фс, которая типична для коммерческих иттербиевых лазеров, могут быть сжаты до длительностей ~3,8 фс, что близко к одному периоду осцилляций электромагнитного поля на длине волны 1030 нм.

Таким образом, световоды с полой сердцевиной позволили существенно расширить область применения световодов, изготавливаемых на основе кварцевого стекла. Перспективные применения полых световодов охватывают такие направления как волоконно-оптическая связь, транспортировка высокоинтенсивного излучения, транспортировка и генерация излучения в широком спектральном диапазоне от ~100 до 5000 нм. Источники излучения на основе полых световодов, несомненно, найдут широкое применение в различных областях от обработки материалов до биомедицины. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №19-12-00361.

Литература

1. R.F. Cregan et al., Science 285, 1537 (1999)

2. F.Benabid et al., Science 298, 399 (2002)

3. Y. Y. Wang et al., Opt. Lett. 36, 669 (2011)

4. A.D.Pryamikov et al., Opt. Express 19, 1441 (2011)

5. F. Yu et al., Opt. Express, 20, 11153 (2012)

6. A.N.Kolyadin et al., Opt. Express 21, 9514 (2013)

7. I.A.Bufetov et al., Fibers 6, 39 (2018)

8. F.Poletti et al., in OFC (2021), postdeadline paper F3A.4

9. G.T.Jasion et al., in OFC Conference (2020), p. Th4B.4

10. F.Yu et al., Opt. Express 26, 10879 (2018)

11. S.-F.Gao et al., Opt. Lett. 43, 1347 (2018)

12. B.Debord et al., Opt. Express, 22, 10735 (2014)

13. F.Kottig et al., Optica 4, 1272-1276 (2017)

14. F. Wiegandt et al., Optica 6, 442-447 (2019)

15. M.Xu, et al., IEEE JSTQE, 24(3), 0902308 (2018) (1W CW 3.1 um)

16. M.Astapovich et al., IEEE Photonic. Tech. Lett., 31, 78 (2019)

17. S.Loranger et al., J. Opt. Soc. Am. B 37, 3550-3556 (2020)

18. A.Gladyshev et al., Opt. Mater. Express, 10, 3081-3089 (2020)

19. F.Kottig et al., Opt. Express 28, 9099 (2020)

№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]

117