Новый фотонный кристаллический волоконный световод для низкошумной когерентной генерации суперконтинуума

Почему яркий белый свет из волокон важен

Многие современные инструменты в медицине, сенсорах и точных измерениях полагаются на лазерный свет, покрывающий широкий диапазон цветов при чрезвычайно высокой стабильности. В этом исследовании представлен новый тип оптического волокна, который превращает короткий инфракрасный лазерный импульс в гладкую, яркую радугу света с очень низким уровнем шума. Дизайн проще существующих волокон, но при этом удерживает поляризацию света под контролем, что важно для самых требовательных задач по синхронизации и частотным измерениям.

Новый способ формирования света в волокне

Исследователи изготовили специальное стеклянное волокно, известное как фотонный кристалл, в котором крошечное твердое ядро окружено регулярной решеткой микроскопических воздушных отверстий. Тщательно подобрав размер и шаг этих отверстий, они контролировали, как разные цвета света распространяются по волокну. Дизайн обеспечивает, что близкие по длине волны составляющие остаются сгруппированными, а не расслаиваются слишком быстро, что помогает первоначальному узкополосному лазерному импульсу плавно расширяться в широкий спектр. В отличие от многих коммерческих конструкций, это волокно сохраняет поляризацию с помощью двух слегка увеличенных центральных отверстий вместо дополнительных напряженных стеклянных стержней, что упрощает изготовление и обращение.

Преобразование узкого лазера в гладкую радугу

Команда протестировала волокно с двумя типами фемтосекундных лазеров, излучающих очень короткие импульсы около длины волны 1030 нанометров, что является распространенным диапазоном для промышленных и научных систем. При всего лишь нескольких десятках киловатт пиковой мощности и отрезках волокна короче четверти метра выходной спектр простирался примерно от 630 до 1350 нанометров, покрывая большую часть видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Получившаяся радуга была не только широкой, но и ровной и симметричной, без глубоких провалов или резких пиков, что облегчает ее использование в таких приложениях, как прецизионная спектроскопия и оптическая визуализация.

Сравнение вариантов конструкции и характеристик

Численные моделирования сопровождали эксперименты для понимания того, как детали входных импульсов влияют на итоговый спектр. Авторы показали, что несовершенства начального лазерного импульса, такие как небольшие пред- и пост-импульсы, могут оставлять рябь в выходном сигнале. При использовании более чистых, почти идеальных импульсов эти рябые структуры в основном исчезали. Они также сравнили свое новое волокно с коммерческим поляризационно-удерживающим волокном, использующим напряженные стержни. При тех же условиях новая конструкция давала немного более широкий спектр, особенно в сторону коротких длин волн, чему способствовали меньшая эффективная площадь моды, ниже дисперсия на длине волны накачки и более удобный внешний размер, облегчающий выравнивание и сопряжение.

Насколько тихий этот радужный свет

Для многих продвинутых применений недостаточно просто широкого спектра; он также должен быть чрезвычайно стабильным от импульса к импульсу. Авторы измеряли эту стабильность несколькими способами. Во-первых, они использовали метод растяжения во времени, чтобы записать спектр сотен импульсов в реальном времени и обнаружили, что колебания интенсивности по большей части спектра оставались на уровне или ниже примерно половины процента. Во-вторых, они применили интерферометрическую схему с двумя идентичными волокнами для сравнения фазы света от импульса к импульсу и нашли фазовые флуктуации настолько малыми, что по существу ограничивались возможностями измерительного прибора. В-третьих, преобразовав свет в радиочастотный сигнал и проанализировав его шум, они подтвердили, что волокно не вносит заметного дополнительного фазового шума по сравнению с исходным лазером в широком диапазоне частот смещения.

Что это значит для будущих источников света

Проще говоря, исследование показывает, что относительно простая конструкция волокна может превратить стандартные фемтосекундные лазеры в исключительно стабильные источники белого света, одновременно удерживая поляризацию. Сочетание широких, ровных спектров, низкого шумa по интенсивности и крошечных фазовых вариаций делает волокно хорошо подходящим для задач, требующих очень точного управления временем и цветом, таких как дуальная гребёнчатая спектроскопия, нелинейная микроскопия и продвинутые частотные измерения. Поскольку конструкция избегает сложных напряженных структур и работает на коротких длинах волокна и при умеренной мощности, она предлагает практичный путь к компактным, надежным системам суперконтинуума для будущих научных и технологических применений.

Цитирование: Morel, R., Millo, J., Forget, N. et al. Novel photonic crystal fibre for low-noise coherent supercontinuum generation. Sci Rep 16, 14901 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43460-5

Ключевые слова: суперконтинуум, фотонный кристалл, ультракороткие лазеры, низкошумный свет, частотные гребенки