С момента рождения волоконной оптики в 1960 году, остаётся неотвеченным один из ключевых вопросов: как транспортировать по многомодовому световоду мощный световой пучок колоколообразной формы без ухудшения его качества (пространственной когерентности)? Ответ на этот важный вопрос смог бы открыть новые направления использования многомодовых кварцевых световодов в разнообразных фотонных технологиях: от безлинзовой эндосокопии до лазерной резки и бурения нефтяных скважин, и даже может помочь в решении проблемы ограниченной пропускной способности сети Интернет.
Команда исследователей из Новосибирского госуниверситета, университета Лиможа (Франция), университета Бургундии Франш-Комте (Франция), университета Брешиа (Италия) открыли элегантный и простой способ устранить естественную тенденцию к филаментации светового пучка в многомодовых световодах и перемешиванию пикселей в передаваемом изображении, поскольку каждый из них движется со своей скоростью. Совершенно неожиданно ученые обнаружили, что при превышении некоторого уровня световой мощности все пиксели изображения вдруг синхронизуются и начинают двигаться «в унисон», сохраняя первоначальную (колоколообразную) форму пучка. Результаты этой работы опубликованы 13 марта 2017 года в журнале «Nature Photonics».
Оптические кварцевые световоды являются естественным средством транспортировки лазерных пучков на большие расстояния практически без потери мощности, при этом пучок не расширяется в пространстве. Более 99% всех использующихся в мире световодов являются так называемыми одномодовыми световодами. Свет в них распространяется благодаря полному внутреннему отражению в стеклянном волоске микронного размера, так называемой сердцевине световода. По таким световодам могут распространяться только одномодовые пучки колоколообразной формы, однако из-за предельно малого поперечного сечения передаваемая в них оптическая мощность также очень мала.
Для передачи мощных лазерных пучков, которые используются в различных промышленных технологиях, таких как резка, сварка и сверление металла, единственно возможным решением является использование световодов с очень большим сечением. Свет, распространяющийся в таких больших «светопроводах», естественным образом распадается на сотни отдельных мод резонатора, также как звучание симфонического оркестра перед началом концерта резонирует как шумовая мириада независимых звуков разных инструментов. В результате световой пучок с гладким колоколообразным профилем превращается в какофонию цветовых пятен (см. фото слева).
Стефан Вабниц, победитель конкурса мегагрантов 2016 года, представивший проект от физического факультета НГУ, вместе с коллегами обнаружил, что при наличии сильной нелинейной связи мод световода, они взаимно синхронизуются и начинают колебаться «в унисон», также как и оркестр по сигналу дирижёра начинает исполнение произведения. Замечательным следствием такой нелинейной синхронизации осцилляторов, которое является полной аналогией синхронизации связанных маятников, открытой ещё в 17 веке датским учёным Кристианом Гюйгенсом, является то, что суперпозиция сотен мод когерентно осциллирует в стеклянном «светопроводе» и таким образом поддерживает распространение «чистого» колоколообразного пучка света (см. фото справа).
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (программа мегагрантов), а также в рамках инициативы Марии Склодовской-Кюри программы Horizon 2020.
.jpg "Ученый НГУ наблюдал полное солнечное затмение в штате Индиана")