Фотонно-кристаллические волокна с полой сердцевиной

Прогресс в области сверхсильных световых полей требует новых решений для волноводов, способных передавать соответствующие световые мощности. Волокна с полой сердцевиной показали возможность передачи большой мощности и продемонстрировали выдающиеся возможности для генерации лазерных импульсов длительностью в несколько периодов световых колебаний также как для четырехволнового смешения и генерации высоких гармоник. Однако, эти волокна имеют приемлемый уровень потерь только в многомодовом режиме, что не позволяет масштабирование для меньших диаметров, так как потери в таких волокнах увеличиваются обратно пропорционально кубу радиуса. Использование нитей самофокусировки сверхсильных световых импульсов также является интересным для передачи тераваттных импульсов на расстояния порядка километров. Однако динамика лазерного пучка в нитях очень сложна, что не позволяет управлять этими процессами. Использование фотонно-кристаллических волноводов с полой сердцевиной (HC PCF) позволяет решать проблему совместимости малых потерь и малого числа мод. HC PCF направляют свет за счет высокого отражения от периодической двумерной оболочки внутри фотонной запрещенной зоны. Малые потери в нескольких или даже в одной из мод могут быть достигнуты для полых сердцевин с диаметром 10…20 мкм. HC PCF с таким диаметром были использованы недавно для наблюдения индуцированного Раман-эффекта, четырехволнового смешения, фазовой самомодуляции. Пространственное самовоздействие сверхкоротких световых импульсов в полом фотонно-кристаллическом волокне приводит к интересным волноводным режимам ниже порога разрушения. Самоиндуцированное спектральное уширение фемтосекундных световых импульсов позволяет создать оптические «диоды» и ограничители. В полом волокне возможно наблюдать мегаватные оптические солитоны, которые могут передаваться на расстояния до нескольких метров, а также использовать такое волокно для передачи лазерных импульсов для технологических применений и в биомедицине. Были продемонстрированы различные структуры HC PCF, позволяющие управлять параметрами поля и дисперсии для конкретных применений. Основные типы волокон используют двумерную решетку гексагонального типа (соты) и решетку Kagom´ e. Типичный диаметр сердцевины таких волокон от 6 до 20 мкм. Является интересным и важным для ряда применений расширить архитектуру HC PCF, имея в виду увеличение диаметра отверстия. Это позволит, в частности, масштабировать переданную мощность при сжатии импульсов или при передаче оптических солитонов.

В настоящее время некоторые научно-производственные компании изготавливают фотонно-кристаллическое волокно размичных типов и параметров. Например, научно-производственное предприятие «ТОСС», г. Саратов, изготавливает фотонно-кристаллическое волокно с полой сердцевиной диаметром в 45 мкм и периодом оболоски в 7 мкм. Эти волокна позволяют передавать импульсы наносекундной длительности от ИАГ: Nd лазера с энергией в несколько мДж. Эти волокна заполняют брешь между стандартными волокнами с полой сердцевиной и фотонно-кристаллическими волокнами с малым диаметром сердцевины, предоставляя эффективные решения для лазерной технологии и сверхбыстрой фотоники.

Изготовление таких волокон проводится по стандартной процедуре, включающей сборку преформы из стеклянных тонкостенных капилляров. Для создания полой сердцевины с большим радиусом центральные капилляры изготавливают из растворимого стекла. После спекания преформы центральные капилляры удаляют промыванием в слабом растворе соляной кислоты. Затем преформу перетягивают в волокно с нужным периодом оболочки. В стандартном волокне с полой сердцевиной обычно удаляется 7 центральных капилляров. В представленном волокне удалено 19 капилляров, что позволяет изготавливать полые волокна с достаточно большим диаметром сердцевины. На рис.3.10 показано микроскопическое изображение HC PCF с периодом оболочки приблизительно 7 мкм и диаметром сердцевины, измеренным как диагональ правильного шестиугольника, равным 45 мкм.

Рис.3.10. Фотонно-кристаллическое волокно с полой сердцевиной

Это волокно поддерживает многомодовый режим (рис.3.11, а), тем не менее, в таком волокне легко возбудить основную моду (рис.3.11, б) подбирая условия возбуждения и геометрию возбуждающего пучка.

а)	б)

Рис.3.11. Многомодовый (а) и одномодовый (б) режимы распространения

света в полом волокне

Спектр пропускания такого волокна имеет хорошо выраженные полосы пропускания (рис.3.12), соответствующие модам излучения, распространяющимся в сердцевине, за счет существование запрещенных зон в оболочке. Минимальная величина потерь в многомодовом режиме для описанного волокна около 5 дБ/м. Заметная величина потерь определялась потерями в материале волокна, в качетсве которого использовалось электровакуумное стекло С-93.

Рис.3.12. Спектр пропускания микроструктурного волокна с полой сердцевиной

Для демонстрации возможности использования такого волокна для передачи оптического излучения большой мощности используют импульсы длительностью в 15 нс, генерируемые ИАГ: Nd лазером (длина волны генерации 1, 06 мкм) с модуляцией добротности. Эти импульсы вводят в отрезки волокна с полой сердцевиной длиной 10 см. Максимальная передаваемая энергия в этих экспериментах была около 5 мДж, что соответствует потоку в 300 Дж/см², что превышает порог разрушения оптического кварца.

Благодаря своим уникальным свойствам фотонно-кристаллические волноводы позволяют решить ряд важных задач фундаментального и технологического характера и открывают широкие перспективы для исследований в различных областях современной физики.

Перечислим наиболее важные преимущества фотонно-кристаллических волокон, это:

· одномодовый режим для всех длин волн излучения;

· широкий диапазон изменения площади пятна основной моды - до сотен μ м²;

· постоянное значение коэффициента дисперсии (дисперсионный наклон равен 0.002 пс^.нм^-1.км^-1 для длин волн 1, 3-1, 5 μ м);

· высокие значения коэффициента дисперсии (2000 пс^.нм^-1.км^-1 для специально разработанных структур);

· аномальная и нулевая дисперсия для длин волн меньше 1, 3 μ м (видимый спектр);

· контролируемая локализация поля в воздушных отверстиях.

Наиболее перспективными применениями фотонно-кристаллических волокон являются:

· WDM устройства и дисперсионная компенсация;

· волоконные лазеры;

· микроскопия ближнего поля;

· генерация фемтосекундного континуума;

· оптический генератор;

· спектроскопия газов и жидкостей;