Сотрудники Института физики света общества Макса Планка создали оптическое волокно с уникальными свойствами. Диапазон длин волн, в котором оптоволокно способно передавать свет, простирается от ультрафиолетового до среднего инфракрасного и является самым широким, достигнутым на данный момент. Кроме того, созданное волокно, благодаря возникновению в нём суперконтинуума, преобразует инфракрасный свет в широкополосное излучение с относительно равномерной амплитудой во всём диапазоне.
В то время как обычное оптическое волокно имеет несколько окон прозрачности в инфракрасной области спектра, кристаллическое оптоволокно на основе кварца прозрачно в широком диапазоне — от фиолетового света с длиной волны 380 нм до ближнего инфракрасного диапазона (2500 нм). Однако попытки расширить диапазон в сторону коротких длин волн к успеху пока не привели: при облучении ультрафиолетом оптическое волокно, полученное методом плавления кварца, быстро начинает искажать цвета, проявляя эффект соляризации.
Расширить диапазон прозрачности исследователям удалось с помощью стекла ZBLAN — материала на основе фтористого циркония. Это стекло, открытое в середине 1970-х годов, обладает чрезвычайно широким окном прозрачности: от 200 до 7800 нм, то есть от глубокого ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона, низким коэффициентом затухания и очень незначительным поглощением влаги. Огромный потенциал ZBLAN не получалось раскрыть из-за технологических сложностей: отсутствия эффективных методов удаления примесей и слишком крутой зависимости вязкости от температуры. Необходимую для вытягивания оптоволокна вязкость и одновременно устойчивость к расстеклованию ZBLAN проявляет в чрезвычайно малом диапазоне температур — менее 10°, в то время как для кварца этот диапазон составляет порядка 300°.
Решив эти проблемы, сотрудники Института физики света смогли достичь основной цели работы — добиться эффекта возникновения суперконтинуума с рекордно широким диапазоном. Суть эффекта заключается в значительном расширении спектра излучения по сравнению с первоначальным импульсом. Один из способов добиться возникновения суперконтинуума — использовать оптоволокно со сложной конфигурацией — фотонно-кристаллическое оптическое волокно (ФКВ). Такое оптоволокно включает полости, заполненные воздухом или прозрачным веществом.
Как отмечают авторы работы, в более ранних попытках использовать ZBLAN для создания суперконтинуума достигаемый диапазон ограничивался инфракрасной областью. Слишком толстое цельное оптическое волокно обладает относительно низкой эффективной нелинейностью, что вынуждает увеличивать длину волокна, на которой высокочастотное излучение успевает затухнуть.
Создав на основе стекла ZBLAN фотонно-кристаллическое оптическое волокно, учёные смогли добиться диапазона излучения от 200 до 2500 нм при использовании в качестве источника относительно маломощного и компактного лазера с длиной волны 1042 нм. И если инфракрасная граница не является рекордной, то достижение области глубокого ультрафиолета стало серьёзным прорывом. Не менее важно то, что спектр генерируемого излучения максимально однороден. Длина волокна составила при этом 4 см.
Добиться сложной структуры фотонно-кристаллического оптического волокна, с большим объёмом воздушных полостей и тонким сердечником, удалось с помощью технологии «сборки и вытяжки» (англ. stack-and-draw). В ней оптоволокно вытягивается не из однородного стержня, а из особой заготовки, представляющей собой сплавленные стеклянные капилляры и стержни с заранее подобранными свойствами и размерами.
Испытания длились несколько месяцев по несколько часов в день, иногда установка работала более суток подряд. За всё время не было отмечено деградации оптоволокна, типичного для волокон на основе кварца.
Свет со столь широким спектром может найти применение в биомедицинских исследованиях, в различных областях физики и химии.
