Зачем нужны лазеры и что такое солитон

Русские исследователи из института вычислительных разработок Сибирского отделения РАН занимаются изучениями, направленными на совершенствование существующих волоконно-оптических совокупностей. Алексей Редюк, один из участвующих в проекте ученых, поведал отделу науки о том, что такое солитоны, как они связаны с удалением и передачей информации с орбиты Почвы космического мусора, и как успехи фундаментальной науки возможно использовать на практике.

— Алексей Александрович, не могли бы вы для начала поведать, как как раз лазеры и оптоволокно используются в отечественной повседневной жизни? К примеру, все слышали, что благодаря оптоволокну у нас имеется интернет и телефонная связь, но не все знают, как именно это трудится.

«Санкции к поставкам по ИТЭР не используются»

О том, как Российская Федерация участвует в создании термоядерного реактора ИТЭР, из-за чего запуск проекта откладывается и воздействует ли на него интернациональная политическая…

— Оптическое волокно, лазеры, и ряд других устройств являются составляющими одного громадного и технически сложного механизма, что именуется «телекоммуникационная совокупность». Проводя неотёсанную аналогию, возможно заявить, что

телекоммуникационная совокупность подобна автомобильной транспортной совокупности, лишь в роли дорог употребляется оптическое волокно, в роли автомобилей — оптические импульсы, а в качестве пассажиров — биты информации, тот самый интернет-трафик.

Как и дороги , телекоммуникационные совокупности разделяются на магистральные, соединяющие города, муниципальные, проложенные в города, а также внутридомовые сети. Все же имеется и одно отличие — существование трансокеанских совокупностей связи, соединяющих разные континенты и проложенных по океаническому дну.

Итак, оптоволокно — это узкая кварцевая нить в оболочке, по которой распространяются оптические импульсы. Благодаря ее особым особенностям световые сигналы не выходят за пределы оболочки и распространяются в волокна с малыми утратами на громадные расстояния. Чтобы запустить такие сигналы в волокно, именно употребляются лазеры. Они генерируют импульсы особой формы, на нужной длине волны и с заданной частотой. Так, лазеры являются главным элементом любого передатчика оптической линии связи. А в самые современных совокупностях они употребляются и на приемнике, где происходит детектирование оптического сигнала и считывание информационных битов.

— А где еще употребляются лазеры кроме телекоммуникационных совокупностей?

— Лазеры так пробрались в отечественную повседневную судьбу, что время от времени мы кроме того не подмечаем этого. Думаю, любой хотя бы раз пользовался лазерной указкой, а это пример несложного компактного лазера. Использование лазеров в медицине — это и хирургия, и удаление разных нежелательных образований, и диагностика болезней. В индустрии лазеры кроме оптической связи используются для резки, сварки, лазерной печати микроструктур, в принтерах, DVD-оборудовании и еще многих областях. Это уже не говоря об широком применении лазеров в задачах военных и научных целях, но это уже не совсем повседневная жизнь.

— Ваша работа посвящена, например, моделированию сложных нелинейных оптических совокупностей, появляющихся в лазерах и волоконных линиях. Что такое нелинейные процессы и в чем они проявляются?

— Об этом доступно и весьма интересно написал Делоне в собственной статье «Нелинейная оптика». Все мы не забываем со школы фундаментальные законы геометрической оптики: свет распространяется прямолинейно, пучки света распространяются независимо, на границе сред свет преломляется либо отражается и без того потом.

Интуиция, куриные яйца и кот Шредингера

Играясь в онлайн-игры, люди оказывают помощь ученым в ответе неприятностей квантовой механики. О том, чем 300 геймеров лучше одного суперкомпьютера и на что похож…

Около 60 лет назад оказалось, что эти законы честны только для света малой мощности. А для света громадной мощности, что обучились приобретать посредством лазеров, эти законы не трудятся.

Выделяют две главные обстоятельства для того чтобы различия: во-первых, при громадной мощности излучения активируются более сложные многофотонные процессы, а во-вторых, замечательное излучение само изменяет свойства среды, в которой распространяется. В этом случае говорят о нелинейном характере среды и взаимодействия излучения, либо о происходящих нелинейных процессах.

— А вы имеете возможность привести наглядный пример для того чтобы нелинейного процесса?

— Возможно, одной из самых наглядных демонстраций нелинейного процесса есть самофокусировка пучка света. В случае если запустить световой пучок малой мощности в среду, к примеру в газ, то он будет распространяться прямолинейно без каких-либо трансформаций собственных особенностей.

Но в случае если мощность пучка света громадная, то при его распространении и под его влиянием показатель преломления среды будет изменяться. Это ведет к тому, что изначально параллельный пучок будет фокусироваться, как словно бы прошел через линзу.

Либо дефокусироваться — в зависимости от того, возрастает показатель преломления либо значительно уменьшается.

К данному моменту изучено уже много оптических нелинейных явлений. Многие из них обучились использовать с пользой для человечества, а влияние некоторых, напротив, пробуют уменьшить либо как-то скомпенсировать.

— Что такое нелинейные эффекты, стало очевидным. Но еще одной задачей вашей работы есть генерация диссипативных солитонов, каковые необходимы для получения масштабируемых по энергии замечательных фемтосекундных импульсов. Поясните, прошу вас, что такое солитоны?

— Солитоны — это весьма интересно. В самом неспециализированном смысле солитон — это уединенная волна, устойчиво распространяющаяся в нелинейной среде. Устойчивость содержится в сохранении ее формы и достигается за счет обоюдной компенсации нелинейных и линейных эффектов. Оптическое волокно именно есть нелинейной средой, и как экспериментально, так и теоретически показано существование оптических солитонов. По большому счету, под понятием «оптический солитон» на данный момент понимается целый класс разных световых импульсов, в каком-либо смысле сохраняющих собственную форму: это и периодические дисперсионно-управляемые солитоны, и диссипативные солитоны, и другие.

«Полет на альфу Центавра — уже не научная фантастика»

Полет к альфе Центавра — это не фантастика, а настоящий проект, о старте которого было заявлено в 55-ю годовщину полета Юрия Гагарина в космос…

Но «настоящий», фундаментальный солитон — он один. При совершенных условиях он может распространяться в нелинейной среде вечно, не изменяя собственной формы.

Помимо этого, при сотрудничестве между собой солитоны ведут себя как частицы. Они смогут притягиваться, отталкиваться, проходить приятель через приятеля, не разрушаясь и сохраняя собственную структуру.

— А как солитоны употребляются для передачи информации и в чем содержится их преимущество?

— На заре развития волоконной оптики мысль применения солитонов для передачи данных на громадные расстояния — как раз из-за их особенностей — была весьма популярной и интенсивно развивалась. Но позже показались более действенные разработки, солитонная передача данных была забытой, а нелинейность была заявлена главным неприятелем протяженных совокупностей связи и для борьбы с ней были брошены громадные силы. Но в наши дни, в то время, когда производительность современных линий связи подходит к собственному пределу из-за нелинейных эффектов, эта мысль опять оживает и опять ведутся разные изучения по данной тематике.

Вправду, для чего с нелинейностью бороться, в случае если ее возможно применять себе на пользу?

В этом смысле применение солитонов — это весьма элегантное решение проблемы.

— Тема, которой вы занимаетесь, весьма сложна, а проект совсем новый: работа над ним ведется полностью в рамках гранта РНФ и всего лишь с 2014 года — срок не таковой уж большой. Поведайте, прошу вас, что уже удалось сделать в ходе проекта?

— Благодаря РНФ (гранту «Моделирование сложных нелинейных лазерных и телекоммуникационных совокупностей») у нас достаточно большой коллектив и объёмный проект исполнителей, исходя из этого за прошедшие два года удалось взять много научных результатов. Задач большое количество, как теоретических, так и прикладных, и они появляются неизменно. Мы уже выполнили изучение многосердцевинных оптических волокон и показали возможность их применения для сжатия оптических импульсов. Это принципиально важно с практической точки зрения для получения маленьких и замечательных импульсов особой формы. По лазерной тематике у нас кроме этого имеется последовательность задач.

«Я заметил, как красива отечественная планета»

12 апреля 1961 года Юрий Гагарин совершил первый в мире полет в космос, продолжавшийся 108 мин.. Отдел науки «Газеты.Ru» вернул…

16

Одна из них — это громадная задача по изучению диссипативных солитонов в лазерном резонаторе. Сейчас предсказано существование нового класса таких импульсов — рамановских диссипативных солитонов, и это было подтверждено экспериментально отечественными сотрудниками. Вторая задача связана с изучением оптической турбулентности в лазерных резонаторах. Тут нами продемонстрировано, что волоконный лазер на базе вынужденного комбинационного рассеяния в зависимости от мощности накачки допускает генерацию сигнала в разных турбулентных пространственно-временных режимах.

Ведется изучение новых усилителей оптического сигнала для телекоммуникационных совокупностей связи. Усиление сигнала в таких устройствах достигается за счет применения нелинейности волокна.

Сейчас проделана подготовительная работа, и в текущем году мы рассчитываем взять прекрасные результаты. По большому счету за всеми взятыми результатами прячется громадная предварительная работа, которая связана с разработкой математических моделей, построением численных методов и алгоритмов, тестированием и написанием комплексов программ, и это все также результаты проекта.

— А как не так долго осталось ждать результаты работы возможно будет использовать на практике?

— Вопрос применения на практике — это весьма хороший вопрос. Продолжительность периода от момента получения научного результата до его практического внедрения в настоящую судьбу зависит от весьма многих факторов, значительно чаще кроме того не связанных с наукой. Мы сохраняем надежду, что отечественные наработки окажутся востребованными и внесут собственный вклад в предстоящее развитие разработок волоконной оптики уже в скором времени. Так как сама мысль применения волоконного световода в качестве среды передачи оптического сигнала была предложена Као и Хокхэмом всего 50 лет назад, а сейчас технологии, вышедшие из той идеи, употребляются везде: это и медицина, и телекоммуникации, и промышленность. Все начинается скоро, и на это имеется спрос.

— Какие конкретно у вас научные замыслы на ближайшее будущее?

— В скором будущем планируется продолжить работу по изучению волоконных лазеров, трудящихся на принципе вынужденного комбинационного рассеяния, изучению нелинейных эффектов в многосердцевинных волокнах, изучению условий формирования комплекса диссипативных солитонов в лазерном резонаторе. Громадные надежды мы возлагаем на занимательные результаты по оптическим усилителям нового типа.

— Алексей Александрович, а идет ли в ходе проекта интернациональное сотрудничество?

«Путешествия по мирам смогут быть!»

Всю землю празднует открытие гравитационных волн, которое случилось среди них и благодаря работе русских ученых. О том, из-за чего это событие…

— Да, имеется научные группы как внутри, так и за пределами России, с которыми мы традиционно весьма плодотворно сотрудничаем. К примеру, это Университет Астона из Англии, Технологический университет Тампере из Финляндии, Университет квантовой оптики общества Макса Планка из Германии и другие. Такое сотрудничество, например, разрешает посмотреть, как в других государствах люди занимаются наукой, и критически оценить собственный свой уровень и место среди современных научных групп.

— А как обстоят дела с молодыми кадрами — идет ли в ходе проекта подготовка молодых ученых? Как именно она проходит — по уже существующим программам подготовки либо же разрабатываются новые?

— Да, в ходе проекта особенное внимание уделяется подготовке молодых исследователей. В отечественном коллективе имеется и студенты старших направлений, и аспиранты, и юные кандидаты наук.

Молодых врачей, действительно, нет, но это уже скорее неспециализированная структурная неприятность русском науки. При подготовке молодежи употребляются как существующие наработанные программы, так и новые.

Начальник отечественной лаборатории Михаил Петрович Федорук и по сей день просматривает в отечественном университете спецкурс «Дополнительные главы вычислительной физики», что прослушал и я, в то время, когда был студентом, уже десять лет назад. Имеется и другие классические для аспирантов и студентов спецкурсы, родные по тематике к нашей деятельности, «Волоконная оптика», «Способы математической физики». Также, появляются и новые направления, к примеру по фотонике, оптоинформатике, поскольку эти области науки на данный момент находятся в стадии бурного развития. Ну и кроме учебной нагрузки в отечественной лаборатории еженедельно проходит научный семинар, что, как мне думается, кроме этого воображает некую педагогическую сокровище для молодого поколения.

— Алексей Александрович, благодарю за беседу! У меня остался еще один вопрос, который связан с недавним выступлением Юрия Мильнера. Он сказал о том, что лазеры смогут употребляться чтобы «подгонять» космический корабль при полете. Сообщите, прошу вас, смогут ли лазеры, которыми вы занимаетесь, быть использованы для аналогичных проектов?

— Конкретно задачей в таковой постановке — разгон объекта лазером с Почвы — мы не занимались. Но у нас имеется близкая «космическая» задача. Она посвящена очищению орбиты Почвы от космического мусора посредством замечательных лазеров, каковые расположены на поверхности Почвы. Для решения данной задачи именно употребляется эффект самофокусировки светового пучка при его распространении через воздух.

Обзор лазерной указки


Читать также:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: