Эксперимент: столкновение бризеров Ахмедиева в оптоволокне

Французским учёным впервые удалось пронаблюдать в эксперименте процесс взаимодействия нелинейных волн, известных как бризеры Ахмедиева. В качестве объектов наблюдения были использованы световые импульсы в волоконной оптике.

Оптическое волокно.
Оптическое волокно.

Как известно, если свет распространяется в среде, то скорость его распространения обычно зависит от частоты волны. Это явление носит название дисперсии. Наиболее известное следствие наличия дисперсии — это разложение белого света в спектр в призмах. Например, радуга возникает именно из-за дисперсии.

Дисперсия света в призме.
Дисперсия света в призме.

Одним из неприятных следствий наличия дисперсии является то, что импульс света, распространяясь в среде, будет постепенно удлиняться, поскольку одни спектральные составляющие импульса будут бежать быстрее других.

Однако если амплитуда импульса достаточно высока, то начинают играть роль так называемые нелинейные эффекты. Один из таких эффектов заключается в том, что скорость распространения волны начинает зависеть ещё и от её амплитуды. Интересно, что может возникнуть такая ситуация, когда наличие нелинейности приводит к укорачиванию импульса. В результате процессы нелинейного укорочения и дисперсионного удлинения могут быть скомпенсированы. В этом случае импульс будет распространяться без изменения своей формы в виде уединённой волны, называемой солитоном.

Солитоны наблюдались не только в оптике, но и в других разделах физики, в которых изучаются волновые явления. Так, само явление солитона впервые было описано для волн на воде. А недавно существование солитонов было продемонстрировано в такой экзотической системе как бозе-конденсат атомов.

Солитон на поверхности воды.

Особым классом нелинейных волн являются бризеры. В отличии от солитонов они не сохраняют свою форму постоянно, но периодически меняют её во времени, постоянно возвращаясь в одно и то же состояние.

Не так давно интерес к бризерам повысился из-за того, что именно они стали считаться главным претендентом на объяснения явления так называемых «волн-убийц» — таинственных волн огромной амплитуды, возникающих в открытом море и нередко приводящих к крушению кораблей и нефтяных платформ.

Бризеры, однако, до сих пор мало изучены. В частности, до последнего времени непроверенным экспериментально оставался вопрос о взаимодействии нескольких сталкивающихся бризеров. Теоретически было предсказано, что при этом могут возникать ситуации, когда локальная амплитуда волны может значительно превышать амплитуду каждой из сталкивающихся волн.

Интерференционная картина, получающаяся в результате столкновения двух бризеров.
Интерференционная картина, получающаяся в результате столкновения двух бризеров.

И вот, в свежей статье, опубликованной в журнале Physical Review X, учёные из Бургундского университета исследовали процесс взаимодействия бризеров на примере нелинейного оптического волокна. Для волн, распространяющихся в такой среде, справедливо описание на основе нелинейного уравнения Шрёдингера. Это уравнение имеет решение в виде бризеров, известных как бризеры Ахмедиева. Благодаря аккуратному подбору параметров сталкивающихся бризеров учёным удалось на опыте продемонстрировать возникновение всплесков огромной амплитуды.

Сравнение экспериментальных данных (красные точки) и теории (синяя линия).
Сравнение экспериментальных данных (красные точки) и теории (синяя линия).

Таким образом, уверены авторы работы, им удалось показать, что столкновение волн-бризеров может считаться полноценной альтернативой в задаче объяснения загадки «волн-убийц».

Кстати, когда-то давно, я публиковал в своём блоге видео эксперимента по генерации волны-убийцы другим методом, но на поверхности жидкости.


Источник: Phys. Rev. X 3, 041032 (2013): Collision of Akhmediev Breathers in Nonlinear Fiber Optics

comments powered by Disqus