Перевод Рихарда Мосияша
Понятие связи мод (mode coupling) очень часто используется, например, для описания распространения света в некоторых волноводах или оптических резонаторах под влиянием различных эффектов, таких как внешние возмущения или нелинейные взаимодействия света со средой. Основная идея теории связанных мод является в разложении всего распространяющегося света по известным модам невозмущенной среды с последующим расчётом того, каким образом эти моды связаны друг с другом благодаря взаимному влиянию. Этот подход часто технически и концептуально гораздо более удобен, чем, например, пересчёт распространения моды в реальной ситуации, где свет распространяется в среде.
Вот некоторые примеры учёта и расчёта связанных мод:
• В оптическом волокне может быть несколько мод выходящего излучения, которые рассчитываются для прямолинейного волокна. Если волокно сильно согнуто, это может вызвать между ними связь, от основной нулевой моды до моды высшего порядка (даже для самой периферийной моды), или связи между различными состояниями поляризации излучения. Потери на изгибе волокна можно интерпретировать как потери при объединении независимых друг от друга мод.- • Нелинейные взаимодействия в волноводе также могут объединять моды (как рассчитанные для низкой интенсивности света) друг с другом. Эти факты можно использовать, например, для описания таких явлений, как генерация второй гармоники при взаимодействии излучения с материалом волновода, где механизм их нелинейного взаимодействия передает амплитуду (и оптическую мощность также) от исходящего излучения к генерированному с удвоенной частотой.
- • В мощных оптоволоконных усилителях был выявлен такой механизм, который переводит мощность из нулевой моды, выходящей из волокна, в моды более высокого порядка. Он может быть основан как на эффекте Крамерса – Кронига, так и на явлении температурных деформаций, влияющих на распределения профиля показателя преломления. Это приводит к сильной потере качества пучка, выше определенного уровня мощности накачки.
• В оптическом резонаторе могут наблюдаться различные виды связи мод. Например, возникают аберрациии вследствие фокусировки и последующего нагрева активной среды твердотельного лазера (термальная линза) и связь их с модами резонатора, рассчитанными без учёта этих аберрации. Вследствие этого, не все вовлеченные в этот процесс моды обязательно резонируют. Это означает то, что вклад в результирующее значение амплитуды, который даёт нулевая (Гауссовская) мода, и в частности, моды высшего порядка, при каждом обходе резонатора будет давать набег фаз.
Нерезонансная природа связи мод означает, что эта связь не очень сильная. Однако этот эффект может быть весьма существенным для лазера, от которого требуется высокое качество пучка, так как в противном случае аберрации сильно расстраивают резонанс мод высшего порядка, имеющие более высокую числовую апертуру. Качественное резонансное связывание может быть возникнуть лишь в определенных ситуациях, включая частотное вырождение мод резонатора.
С точки зрения расчёта, метод связанных мод часто используется в форме связанных дифференциальных уравнений для комплексных амплитуд всех вовлеченных мод. Эти уравнения содержат коэффициенты усиления, которые обычно рассчитывается из интегралов перекрытия, включающих в себя уравнения двух складываемых мод и некоторых возмущений, также являющихся причиной их связи. Как правило, применяемая процедура является первым этапом для расчета амплитуд мод данного входного излучения, а затем получившиеся значения амплитуд подставляют в вышеупомянутую систему дифференциальных уравнений и решают её (например, с использованием метода Рунге-Кутта). Также можно векторно сложить поля отдельных мод, чтобы получить результирующее распределение поля.
Важный физический аспект такого явления когерентных связанных мод в том, что оптическая мощность распределяется и передается между двумя модами в зависимости от амплитуд, значения которых удовлетворяют уравнениям распространения обеих мод. Следствием этого является то, что передача энергии от моды «А» в другую моду «Б» может быть малоэффективна из-за значительного ослабления недостаточно когерентной моды «Б». Таким образом, мода «Б» имеет возможность в ряде случаев эффективно приобретать мощность от связывания её с модой «А», поэтому мода «А», несмотря на усиление, испытывает лишь небольшие потери энергии.
По материалам интернет-энциклопедии www.rp-photonics.com
