Конструкция сохраняет яркость и сводит потери к минимуму.
Израильские исследователи создали микроскопическое оптическое устройство, которое может упростить мощные лазерные системы. Эта технология эффективно объединяет свет от десятков полупроводниковых лазеров в одно оптическое волокно, при этом потери энергии остаются крайне низкими.
В устройстве используется напечатанная на 3D-принтере конструкция, известная как фотонный фонарь. Она направляет свет от множества небольших лазеров в одно многомодовое волокно без снижения яркости.
Исследователи утверждают, что такой подход может помочь отраслям, которые полагаются на мощные лазеры, передающие излучение по оптоволокну, включая производство, связь и оборону.
Исследование проводилось под руководством аспиранта Йоава Даны в Институте прикладной физики Еврейского университета в Иерусалиме. Команда сотрудничала с компанией Civan Lasers при поддержке Управления инноваций Израиля.
Данное исследование демонстрирует новый уровень миниатюризации и масштабируемости оборудования для объединения оптических лучей, используемого в мощных лазерных системах.
Новая конструкция фотонного фонаря
Традиционные фотонные фонари объединяют несколько одномодовых входных сигналов в один многомодовый волновод. Однако большинство мощных полупроводниковых лазеров работают в нескольких пространственных модах. Это несоответствие долгое время ограничивало эффективность объединения их выходных сигналов.
Команда Еврейского университета решила эту задачу, перепроектировав архитектуру фонаря.
В их устройстве используется новая структура, называемая N-MM фотонным фонарем. Она позволяет нескольким многомодовым источникам лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) напрямую подавать сигнал в одно многомодовое оптическое волокно.
Команда продемонстрировала фотонные фонари, способные объединять 7, 19 и 37 VCSEL-лазеров. Каждый лазер работал в шести пространственных режимах.
В совокупности система поддерживала до 222 пространственных мод, поступающих в одно многомодовое волокно.
Эта архитектура сохраняет яркость, одновременно упрощая требования к юстировке. Традиционные системы с релейными линзами часто ухудшают качество луча или требуют точного позиционирования.
Новый фонарь, напротив, соответствует модальной пропускной способности лазеров и волокна. Такая конструкция сохраняет оптическую яркость, что является критически важным фактором для работы мощных лазеров.
Компактное масштабирование высокой мощности
Новое оптическое устройство также обеспечивает значительное уменьшение размеров.
Исследователи создали эту структуру с помощью передовой технологии 3D-микропечати. Длина всего фотонного фонаря составляет менее половины миллиметра.
Даже самая крупная конфигурация остается чрезвычайно компактной. Устройство с 37 входами имеет размеры всего 470 микрометров.
Несмотря на свои размеры, фонарь отличается высокой эффективностью.
Тесты показали, что потери на связь для 19-входовой конструкции составляют всего –0,6 децибел. В 37-входовой версии потери составили около –0,8 децибел.
Эти показатели свидетельствуют об очень эффективной передаче света в стандартные многомодовые оптические волокна диаметром 50 микрометров.
Поддержание низких потерь становится критически важным при объединении множества лазеров. Небольшие потери эффективности могут быстро снизить выходную мощность системы.
Исследователи разработали внутри фонаря адиабатический оптический переход. Эта структура постепенно преобразует множество многомодовых входных сигналов в один многомодовый волоконно-оптический канал.
Этот переход сохраняет оптические степени свободы системы, минимизируя при этом рассеяние или потери мощности.
Результаты демонстрируют масштабируемый метод некогерентного объединения лучей. Вместо того чтобы заставлять лазеры синхронизировать фазы, устройство просто эффективно объединяет их выходные сигналы.
Подобная возможность может помочь инженерам создавать более компактные мощные лазерные системы. Она также может принести пользу волоконно-оптическим сетям связи и сенсорным технологиям.
Если этот подход получит дальнейшее распространение, производители смогут объединить сотни полупроводниковых лазеров в один волоконно-оптический канал.
Эта возможность позволит значительно увеличить мощность, передаваемую через волоконно-оптические лазерные системы, при сохранении компактности оборудования.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
