Физмат

Shutterstock

Лазеры против космического мусора

Зачем нужны лазеры и что такое солитон

Яна Хлюстова

Можно ли при помощи лазера очистить орбиту Земли от космического мусора, что такое солитон и в каких случаях свет ведет себя вопреки законам геометрической оптики — на эти и другие вопросы отвечает отдел науки «Газеты.Ru».

Российские ученые из Института вычислительных технологий Сибирского отделения РАН занимаются исследованиями, направленными на совершенствование существующих волоконно-оптических систем. Алексей Редюк, один из участвующих в проекте ученых, рассказал отделу науки о том, что такое солитоны, как они связаны с передачей информации и удалением с орбиты Земли космического мусора, а также как достижения фундаментальной науки можно применять на практике.

— Алексей Александрович, не могли бы вы для начала рассказать, как именно оптоволокно и лазеры применяются в нашей повседневной жизни? Например, все слышали, что благодаря оптоволокну у нас есть телефонная связь и интернет, однако далеко не все знают, как именно это работает.

— Оптическое волокно, лазеры, а также ряд других устройств являются составляющими одного большого и технически сложного механизма, который называется «телекоммуникационная система». Проводя грубую аналогию, можно сказать, что

телекоммуникационная система подобна автомобильной транспортной системе, только в роли дорог используется оптическое волокно, в роли машин — оптические импульсы, а в качестве пассажиров — биты информации, тот самый интернет-трафик.

Как и автомобильные дороги, телекоммуникационные системы разделяются на магистральные, соединяющие города, городские, проложенные внутри города, и даже внутридомовые сети. Все же есть и одно отличие — существование трансокеанских систем связи, соединяющих различные континенты и проложенных по дну океана.

Итак, оптоволокно — это тонкая кварцевая нить в оболочке, по которой распространяются оптические импульсы. Благодаря ее специальным свойствам световые сигналы не выходят за пределы оболочки и распространяются внутри волокна с малыми потерями на большие расстояния. Для того чтобы запустить такие сигналы в волокно, как раз используются лазеры. Они генерируют импульсы специальной формы, на необходимой длине волны и с заданной частотой. Таким образом, лазеры являются основным элементом любого передатчика оптической линии связи. А в наиболее современных системах они используются и на приемнике, где происходит детектирование оптического сигнала и считывание информационных битов.

— А где еще используются лазеры помимо телекоммуникационных систем?

— Лазеры настолько проникли в нашу повседневную жизнь, что иногда мы даже не замечаем этого. Думаю, каждый хотя бы раз пользовался лазерной указкой, а это пример простого компактного лазера. Применение лазеров в медицине — это и хирургия, и удаление различных нежелательных образований, и диагностика заболеваний. В промышленности лазеры помимо оптической связи применяются для резки, сварки, лазерной печати микроструктур, в принтерах, DVD-оборудовании и еще многих областях. Это уже не говоря об обширном использовании лазеров в научных целях и задачах военных, но это уже не совсем повседневная жизнь.

— Ваша работа посвящена, в частности, моделированию сложных нелинейных оптических систем, возникающих в волоконных линиях и лазерах. Что такое нелинейные процессы и в чем они проявляются?

— Об этом доступно и интересно написал Делоне в своей статье «Нелинейная оптика». Все мы помним со школы основные законы геометрической оптики: свет распространяется прямолинейно, пучки света распространяются независимо, на границе сред свет преломляется или отражается и так далее.

Около 60 лет назад оказалось, что эти законы справедливы лишь для света малой мощности. А для света большой мощности, который научились получать с помощью лазеров, эти законы не работают.

Выделяют две основные причины такого различия: во-первых, при большой мощности излучения активируются более сложные многофотонные процессы, а во-вторых, мощное излучение само изменяет свойства среды, в которой распространяется. В этом случае говорят о нелинейном характере взаимодействия излучения и среды, или о происходящих нелинейных процессах.

— А вы можете привести наглядный пример такого нелинейного процесса?

— Наверное, одной из самых наглядных демонстраций нелинейного процесса является самофокусировка пучка света. Если запустить световой пучок малой мощности в среду, например в газ, то он будет распространяться прямолинейно без каких-либо изменений своих свойств.

Однако если мощность пучка света большая, то при его распространении и под его влиянием показатель преломления среды будет изменяться. Это приводит к тому, что изначально параллельный пучок будет фокусироваться, как будто прошел через линзу.

Или дефокусироваться — в зависимости от того, возрастает показатель преломления или уменьшается.

К данному моменту изучено уже большое число оптических нелинейных явлений. Многие из них научились применять с пользой для человечества, а влияние некоторых, наоборот, пытаются уменьшить или как-то скомпенсировать.

— Что такое нелинейные эффекты, стало ясно. Однако еще одной задачей вашей работы является генерация диссипативных солитонов, которые нужны для получения масштабируемых по энергии мощных фемтосекундных импульсов. Поясните, пожалуйста, что такое солитоны?

— Солитоны — это интересно. В самом общем смысле солитон — это уединенная волна, устойчиво распространяющаяся в нелинейной среде. Устойчивость заключается в сохранении ее формы и достигается за счет взаимной компенсации нелинейных и линейных эффектов. Оптическое волокно как раз является нелинейной средой, и как экспериментально, так и теоретически продемонстрировано существование оптических солитонов. Вообще, под понятием «оптический солитон» в настоящее время понимается целый класс различных световых импульсов, в каком-либо смысле сохраняющих свою форму: это и периодические дисперсионно-управляемые солитоны, и диссипативные солитоны, и другие.

Но «настоящий», фундаментальный солитон — он один. При идеальных условиях он может распространяться в нелинейной среде бесконечно, не изменяя своей формы.

Кроме того, при взаимодействии друг с другом солитоны ведут себя как частицы. Они могут притягиваться, отталкиваться, проходить друг через друга, не разрушаясь и сохраняя свою структуру.

— А как солитоны используются для передачи информации и в чем заключается их преимущество?

— На заре развития волоконной оптики идея использования солитонов для передачи данных на большие расстояния — именно из-за их свойств — была очень популярной и интенсивно развивалась. Однако потом появились более эффективные технологии, солитонная передача данных оказалась забытой, а нелинейность была объявлена главным врагом протяженных систем связи и для борьбы с ней были брошены большие силы. Но в наше время, когда производительность современных линий связи подходит к своему пределу из-за нелинейных эффектов, эта идея снова возрождается и снова ведутся различные исследования по этой тематике.

Действительно, зачем с нелинейностью бороться, если ее можно использовать себе на пользу?

В этом смысле использование солитонов — это очень элегантное решение проблемы.

— Тема, которой вы занимаетесь, очень сложна, а проект совсем новый: работа над ним ведется целиком в рамках гранта РНФ и всего лишь с 2014 года — срок не такой уж большой. Расскажите, пожалуйста, что уже удалось сделать в рамках проекта?

— Благодаря РНФ (гранту «Моделирование сложных нелинейных лазерных и телекоммуникационных систем») у нас достаточно объемный проект и большой коллектив исполнителей, поэтому за прошедшие два года удалось получить немало научных результатов. Задач много, как теоретических, так и прикладных, и они возникают постоянно. Мы уже выполнили исследование многосердцевинных оптических волокон и продемонстрировали возможность их использования для сжатия оптических импульсов. Это важно с практической точки зрения для получения коротких и мощных импульсов специальной формы. По лазерной тематике у нас также есть ряд задач.

Одна из них — это большая задача по исследованию диссипативных солитонов в лазерном резонаторе. На данный момент предсказано существование нового класса таких импульсов — рамановских диссипативных солитонов, и это было подтверждено экспериментально нашими коллегами. Другая задача связана с исследованием оптической турбулентности в лазерных резонаторах. Здесь нами показано, что волоконный лазер на основе вынужденного комбинационного рассеяния в зависимости от мощности накачки допускает генерацию сигнала в различных турбулентных пространственно-временных режимах.

Ведется исследование новых усилителей оптического сигнала для телекоммуникационных систем связи. Усиление сигнала в таких устройствах достигается за счет использования нелинейности волокна.

На данный момент проделана подготовительная работа, и в этом году мы рассчитываем получить хорошие результаты. Вообще за всеми полученными результатами скрывается большая предварительная работа, связанная с разработкой математических моделей, построением численных алгоритмов и методов, написанием и тестированием комплексов программ, и это все тоже результаты проекта.

— А как скоро результаты работы можно будет применять на практике?

— Вопрос применения на практике — это очень хороший вопрос. Длительность периода от момента получения научного результата до его практического внедрения в реальную жизнь зависит от очень многих факторов, чаще всего даже не связанных с наукой. Мы надеемся, что наши наработки окажутся востребованными и внесут свой вклад в дальнейшее развитие технологий волоконной оптики уже в ближайшем будущем. Ведь сама идея использования волоконного световода в качестве среды передачи оптического сигнала была предложена Као и Хокхэмом всего 50 лет назад, а сегодня технологии, вышедшие из той идеи, используются повсюду: это и медицина, и телекоммуникации, и промышленность. Все развивается быстро, и на это есть спрос.

— Какие у вас научные планы на ближайшее будущее?

— В ближайшее время планируется продолжить работу по исследованию волоконных лазеров, работающих на принципе вынужденного комбинационного рассеяния, исследованию нелинейных эффектов в многосердцевинных волокнах, исследованию условий формирования комплекса диссипативных солитонов в лазерном резонаторе. Большие надежды мы возлагаем на интересные результаты по оптическим усилителям нового типа.

— Алексей Александрович, а идет ли в рамках проекта международное сотрудничество?

— Да, есть научные группы как внутри, так и за пределами России, с которыми мы традиционно очень плодотворно сотрудничаем. Например, это Университет Астона из Великобритании, Технологический университет Тампере из Финляндии, Институт квантовой оптики общества Макса Планка из Германии и некоторые другие. Такое сотрудничество, в частности, позволяет взглянуть, как в других странах люди занимаются наукой, и критически оценить свое место и свой уровень среди современных научных групп.

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

— Да, в рамках проекта особое внимание уделяется подготовке молодых исследователей. В нашем коллективе есть и студенты старших курсов, и аспиранты, и молодые кандидаты наук.

Молодых докторов, правда, нет, но это уже скорее общая структурная проблема российской науки. При подготовке молодежи используются как существующие наработанные программы, так и новые.

Руководитель нашей лаборатории Михаил Петрович Федорук и сейчас читает в нашем университете спецкурс «Дополнительные главы вычислительной физики», который прослушал и я, когда был студентом, уже десять лет назад. Есть и другие традиционные для студентов и аспирантов спецкурсы, близкие по тематике к нашей деятельности, «Волоконная оптика», «Методы математической физики». Кроме этого, появляются и новые курсы, например по фотонике, оптоинформатике, так как эти области науки сейчас находятся в стадии бурного развития. Ну и помимо учебной нагрузки в нашей лаборатории еженедельно проходит научный семинар, который, как мне кажется, также представляет некоторую педагогическую ценность для молодого поколения.

— Алексей Александрович, спасибо за беседу! У меня остался еще один вопрос, связанный с недавним выступлением Юрия Мильнера. Он говорил о том, что лазеры могут использоваться для того, чтобы «подгонять» космический корабль при полете. Скажите, пожалуйста, могут ли лазеры, которыми вы занимаетесь, быть использованы для подобных проектов?

— Конкретно задачей в такой постановке — разгон объекта лазером с Земли — мы не занимались. Но у нас есть близкая «космическая» задача. Она посвящена очищению орбиты Земли от космического мусора с помощью мощных лазеров, которые расположены на поверхности Земли. Для решения этой задачи как раз используется эффект самофокусировки светового пучка при его распространении сквозь атмосферу.