Использование двух стекол с разным показателем преломления, сложенных в определенном порядке, позволило исследователям впервые разработать мультимодальное волокно с параболическим показателем преломления с передачей до среднего инфракрасного диапазона и высокой нелинейностью. Спектр коротких импульсов света, инжектируемых в волокно, значительно расширяется и охватывает диапазон от видимого до среднего инфракрасного диапазона. Примечательно, что в отличие от обычных многомодовых волокон световой пучок остается гладким благодаря динамике самоочистки, вызванной параболическим показателем преломления. Такой источник света со сверхшироким спектром, гладким лучом и высокой мощностью находит применение, например, в зондировании окружающей среды или визуализации с высоким разрешением для медицинской диагностики. Предоставлено: Университет Тампере.

Когда мощный ультракороткий импульс света взаимодействует с таким материалом, как стеклянное оптическое волокно , возникает ряд сильно нелинейных взаимодействий, которые вызывают сложные изменения как временных, так и спектральных свойств инжектированного света. В крайних случаях такие взаимодействия могут привести к генерации радужного лазера света, обычно называемого источником света суперконтинуума. С момента своей первой демонстрации в оптическом волокне особого типа в 2000 году лазерный суперконтинуум произвел революцию во многих областях науки, начиная от метрологии и визуализации с беспрецедентным разрешением и заканчивая сверхширокополосным дистанционным зондированием и даже обнаружением экзопланет.

Однако текущим узким местом современных источников суперконтинуума является то, что они основаны на оптических волокнах, которые поддерживают один профиль или моду поперечной интенсивности, что по своей сути ограничивает их оптическую мощность. Более того, обычные оптические волокна изготавливаются из кварцевого стекла, пропускание которых ограничено видимой и ближней инфракрасной областью спектра. Распространение света суперконтинуума на другие режимы длин волн, такие как средний инфракрасный диапазон, требует оптических волокон, изготовленных из так называемых мягких стекол, но они обладают более низким порогом повреждения, чем кварц, что еще больше ограничивает мощность луча суперконтинуума.

Бескремнеземное оптическое волокно с самоочищающимся пучком

Недавно было показано, что оптическое волокно другого типа с показателем преломления, непрерывно меняющимся по всей структуре волокна, обеспечивает резкое увеличение мощности суперконтинуума при сохранении плавного профиля интенсивности луча. «Изменение показателя преломления таких оптических волокон с градуированным показателем показателя преломления приводит к периодической фокусировке и расфокусировке света внутри волокна, что обеспечивает связь между пространственными и временными нелинейными взаимодействиями света и вещества. Это приводит к механизму самоочистки, который дает суперконтинуальный свет с высокая мощность и четкий профиль луча. Наряду с их многочисленными приложениями, они также предоставляют средства для изучения фундаментальных физических эффектов, таких как волновая турбулентность», — говорит профессор Гоэри Дженти, руководитель исследовательской группы Университета Тампере.

Хотя в последнее время эти волокна привлекли значительное внимание исследовательского сообщества, до сих пор их использование ограничивалось видимым и ближним инфракрасным диапазоном. В сотрудничестве с группой проф. Бучинского и Климчака из Варшавского университета (Польша) и группы проф. Дадли из Бургундского университета Франс-Конте (Франция), команда Тампере впервые продемонстрировала генерацию двухоктавного суперконтинуума от видимого до средний ИК-диапазон в волокне с плавным показателем преломления, не содержащем кремнезема, с самоочищающимся пучком.

«Эта проблема теперь решена с помощью особой конструкции, в которой используются стержни из двух типов свинцово-висмутово-галлатного стекла с разными показателями преломления, вытянутыми для получения наноструктурного ядра. В результате получается волокно с плавным показателем преломления с эффективным параболическим профилем показателя преломления . с передачей до среднего инфракрасного диапазона и, как вишенка на торте, с улучшенными нелинейными взаимодействиями света и материи», — говорит исследователь Захра Эслами.

Большой потенциал в диагностике и мониторинге

Средний инфракрасный диапазон представляет большой интерес, поскольку он содержит характерные колебательные переходы многих важных молекул.

«Новое решение приведет к созданию более эффективных источников света суперконтинуума в среднем инфракрасном диапазоне со многими потенциальными приложениями, например, для маркировки загрязняющих веществ, диагностики рака, машинного зрения, мониторинга окружающей среды, контроля качества и пищевых продуктов», — объясняет Дженти.

Исследователи ожидают, что этот новый тип волокна очень скоро станет важным и стандартным материалом для создания широкополосных источников и частотных гребенок.