de.wedoany.com-Bericht: Ein russisches Forschungsteam hat ein Computermodell entwickelt, das die Funktionsweise von Multikern-Faserlasern demonstriert und aufzeigt, wie ein schmaleres und stabileres Spektrum erzielt werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass sich mehrere Spektrallinien zu einer einzigen vereinen, wenn die Lichtwellenleiter dicht beieinander angeordnet sind und das Licht frei zwischen ihnen fließen kann. Die Linienbreite ist dabei fast zehnmal schmaler als bei getrennten Wellenleitern.
Faserlaser bestehen aus dünnen Glasfasern mit einem Kern, in dem sich das Licht ausbreitet. Diese Geräte werden häufig zum Schneiden und Schweißen von Metallen, in medizinischen Geräten sowie in Datenübertragungssystemen eingesetzt. Um die Leistung zu erhöhen, wird in der Regel die Pumpleistung gesteigert und der Kern vergrößert, was jedoch unerwünschte Effekte wie Filamentbildung und Selbstfokussierung des Lichtstrahls hervorrufen und sogar zu einer Beschädigung der Faser führen kann.
Multikern-Fasern bestehen aus mehreren Lichtwellenleitern und ermöglichen eine höhere Leistung. In jedem Kern ist ein Bragg-Gitter integriert, das Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektiert und dessen Intensität verstärkt. Aufgrund geringfügiger Unterschiede zwischen den Gittern arbeiten diese Wellenleiter jedoch nicht einheitlich, was zu einer Verbreiterung und Instabilität des Spektrums führt und die Fokussierung erschwert.
Zuvor hatten Forscher des Instituts für Automatisierung und Elektrometrie der Sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften (Institute of Automation and Electrometry SB RAS) und der Nowosibirsker Staatlichen Universität (Novosibirsk State University) einen Effekt des Spektrum-„Kollapses“ entdeckt: Wenn die Kerne dicht beieinander angeordnet sind, beginnt das Licht zwischen ihnen zu wandern, und mehrere Spektrallinien werden zu einer schmalen Linie. Bislang fehlte jedoch ein Modell, das diesen Prozess erklärt und steuert.
In der neuen Studie erstellten die Wissenschaftler ein Modell, das die Inhomogenität der Faser, Rauschen, nichtlineare Effekte und die Parameter der Bragg-Gitter berücksichtigt. Die Forscher verglichen zwei Szenarien: Im ersten Fall betrug der Abstand zwischen den Lichtwellenleitern 28 Mikrometer, die Kopplung war schwach und das Licht wanderte nicht zwischen den Kernen. Im zweiten Fall wurde der Abstand auf 17 Mikrometer verkürzt, wodurch die Kopplung verstärkt wurde.
Im ersten Fall zeigte das Modell sieben unabhängige Spektrallinien mit einer Gesamtspektralbreite zwischen 0,3 und 0,7 Nanometern. Im zweiten Fall vereinigten sich die Linien zu einer einzigen mit einer Breite von etwa 0,07 Nanometern. Diese Daten stimmen mit den experimentellen Ergebnissen überein. Der Effekt beruht auf der freien Wanderung des Lichts bei dichter Anordnung der Kerne, wodurch alle Lichtwellenleiter bei derselben Wellenlänge emittieren. Je mehr Kerne vorhanden sind, desto stärker ist die Kopplung, und desto schmaler und stabiler wird das Spektrum.
Der Projektleiter, Doktor der Physik und Mathematik, Akademiemitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften und Direktor des Instituts für Automatisierung und Elektrometrie, Sergey Babin, wies darauf hin, dass solche Laser für die Präzisionsmaterialbearbeitung, die Glasfaserkommunikation, die Medizin und die Spektroskopie eingesetzt werden können. Laut Sergey Babin ließe sich durch eine Erhöhung der Kernanzahl auf 19 ein noch schmaleres Spektrum erzielen. Er erklärte, dass in Zukunft neue Berechnungen und Experimente geplant seien und die Anwendungen mit Industriepartnern diskutiert werden sollen. Die Studie wurde von der Russischen Wissenschaftsstiftung (Russian Science Foundation) unterstützt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „High Power Laser Science & Engineering“ veröffentlicht.
