Группа ученых НГУ объяснила нелинейный эффект пространственной самоорганизации лазера

Группа выпускников НГУ — Евгений Подивилов, Денис Харенко, Влад Гонта, Олег Сидельников, Сергей Турицын, Михаил Федорук, Сергей Бабин и их коллега из Италии Катаржина Крупа — под руководством заведующего лабораторией нелинейной оптики волновых систем НГУ Стефана Вабница опубликовала в одном из самых престижных журналов в области физики Physical Review Letters статью Hydrodynamic 2D Turbulence and Spatial Beam Condensation in Multimode Optical Fibers.

В статье объяснен нелинейный эффект пространственной самочистки лазерного пучка, об открытии которого сообщалось ранее.

Эффект наблюдается при распространении мощного оптического импульса в многомодовом световоде и имеет большой потенциал применений в различных областях: от лазерной резки материалов до кратного увеличения пропускной способности современных линий связи. Суть эффекта состоит в существенном увеличении качества излучения на выходе из световода при превышении определенного порога по пиковой мощности импульса.

Исходный пучок, сначала естественным образом распадаясь при распространении на сотни отдельных мод (спеклов), внезапно собирается обратно. Здесь можно провести аналогию с разрушенным морскими волнами замком из песка на пляже, который смог бы снова восстановиться. Однако такой процесс невозможно представить, ведь распад в природе обычно необратим. Тем не менее эффект с обратной самоорганизацией лазерного пучка был подтвержден независимыми экспериментами нескольких групп в Европе, США и России, но до сих пор не получил полного экспериментального и теоретического объяснения.

Рис. 1. Численное моделирование эволюции интенсивностей различных мод оптического волокна при низкой (слева) и высокой (справа) пиковой мощности импульса. На вставке — соответствующий профиль пучка на выходе.

Подсказка к объяснению явления пришла из области гидродинамики и уже устоявшейся аналогии между явлением турбулентности в жидких средах и турбулентностью в оптике, возникающей в процессе четырхволнового смешения различных мод. Основная идея состоит в том, что в процессе нелинейного взаимодействия большого количества мод передача энергии между модами происходит в двух направлениях — прямом и обратном. Обратный каскад турбулентности направлен от средних мод к низшим и в пределе — к фундаментальной моде (конденсату), и именно этот процесс увидели в первых экспериментах. Прямой же каскад направлен в более чем сотню высших мод, куда попадает крошечная часть энергии, которую уже не так просто зафиксировать экспериментально. Чтобы подтвердить эту гипотезу, потребовалось разработать аналитическую модель, в которой явление описывалось бы строго математически на примере заданного числа мод, а в произвольном случае — провести численный расчет при параметрах, наиболее близких к экспериментальным (рис. 1), и поставить эксперимент для проверки предсказываемых теоретической моделью зависимостей величины эффекта от параметров входного пучка.

Проведенное в НГУ сравнение теории и эксперимента продемонстрировало их хорошее согласие и показало наличие некоего инварианта — эффективного числа мод, которое не меняется при изменении мощности, в том числе при переходе от пучка, распавшегося на спеклы (рис. 1а), к нелинейному режиму самочистки с доминированием основной моды (рис. 1б). Если возвратиться к пляжной аналогии, можно сказать, что замок на песке, конечно, возникнет, но не полностью (только его центральная башня), и одновременно с этим вокруг него останутся руины, разбросанные на значительные расстояния. Такая модель уже не противоречит основным физическим законам.