Диссертация: Стохастические режимы генерации непрерывного волоконного ВКР-лазера

Волоконные ВКР-лазеры относятся к перспективным источникам лазерного излучения [1]. В ВКР-лазерах за счет эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) происходит преобразование излучения накачки в излучение стоксовых компонент [2]. Важной для применений является возможность генерации в широком диапазоне длин волн: в области 1.3 мкм [3] и 1.5 мкм [4], что позволяет использовать такие лазеры для накачки распределенных телекоммуникационных усилителей. Использование различных типов волокон позволяет
существенно расширить их область достижимых длин волн до области более 2 мкм [5]. Был создан широкий набор различных волоконных ВКР-лазеров с различными техническими характеристиками, а именно многоволновые лазеры [6, 7], лазеры видимого диапазона [8, 9], лазеры для медицинских применений [10, 11].

К моменту начала наших исследований основной фокус работ был направлен на разработку новых конфигураций волоконных ВКР-лазеров с различными техническими характеристиками. Спектральные характеристики излучения волоконного ВКР-лазера в целом оставались без внимания. Лишь в работе [12] приводится феноменологическая модель формы спектра генерации, которая, однако, содержит не обоснованные предположения.

Более того, в литературе совершенно не рассматривались вопросы по достижению новых фундаментальных режимов генерации в волоконных ВКР-лазерах (за пределами генерации на новых длинах волн, что не затрагивает фундаментальных характеристик излучения). Действительно, волоконный ВКР-лазер имеет достаточно длинный резонатор, в котором могут быть существенны процессы дефазировки различных спектральных компонент ввиду достаточной суммарной нелинейности.

Исходя из того, что что спектр генерации волоконного ВКР-лазера достаточно широк (порядка 1 нм) и должен состоять из большого количества близко расположенных различных продольных мод (отметим, что доказательства существования различных продольных мод в длинных волоконных резонаторах также не было до начала данной работы), временная динамика его излучения должна иметь стохастическую природу на масштабах времени, обратно пропорциональных ширине спектра излучения. Временная динамика излучения таких лазеров также не изучалась. Лишь в работе [13] упоминается об измерении автокорреляционной функции интенсивности волоконного ВКР-лазера, ширина которой характеризуют типичную длительность флуктуаций излучения.

Очевидно, что никак не рассматривались и вопросы создания новых режимов генерации с подавленными флуктуациями интенсивности и суженным спектром излучения, так как не известны были механизмы формирования самого спектра и механизмы возникновения флуктуаций интенсивности.

Далее, в последние годы резко возрос интерес к оптическим системам, в которых наблюдаются эффекты, изначально присущие системам совсем другого рода, например гидродинамическим системам.

Так, в широко известной работе 2007 года [14] было продемонстрировано наблюдение так называемых оптических экстремальных волн, схожих с экстремальными волнами, возникающими на поверхности жидкости, что вызвало большой резонанс в научном сообществе [15]. Начиная с указанной работы, наблюдается взрывной интерес исследователей к данной области. Актуальные недавние обзоры области можно найти в работах [16–18]. Механизмы генерации экстремальных событий в различных системах могут сильно разниться, см., например, обзор [19]. Од-
нако в целом возникающие аналогии между оптикой и гидродинамикой оказываются плодотворны и позволяют, с одной стороны, подходить к изучению оптических систем с помощью методов и подходов, развитых в гидродинамике, см, например, работы [20–22]. С другой стороны, некоторые актуальные вопросы гидродинамики могут быть адресованы в настольных волоконно-оптических экспериментах, которые достаточно просты по сравнению с гидродинамическими экспериментами, [23–25].

В целом, демонстрация новых волоконно-оптических систем, в которых можно было бы изучать классические вопросы, стоящие перед исследователями в области гидродинамики, представляет несомненный интерес.

Наконец, к моменту начала наших исследований были реализованы многочисленные конфигурации волоконных ВКР-лазеры, абсолютно все объединяющиеся тем, что лазер имеет стандартную схему,содержащую два ключевых элемента: усиливающая среда и оптический резонатор, который обеспечивает положительную обратную связь.
Существует принципиально другая концепция генерации света в активной рассеивающей среде без каких-либо зеркал, образующих резонатор [26]. Тип лазеров, в которых отсутствуют определенные зеркала резонатора, и которые работают за счет многократных отражений излучения в сильно рассеивающей среде. Данная концепция не привлекала особого внимания, пока в работе [27] не была продемонстрирована генерация в красителе Родамин 640, в который были добавлены сильно рассеивающие микрочастицы TiO2, обеспечивающие случайную обратную связь.

Это позволило говорить о создании случайного лазера [28] и послужило отправной точкой к взрывному интересу исследователей к области лазерной генерации в случайных сильно рассеивающих средах и демонстрации огромного количества различных типов случайных лазеров, основанных на использовании самых различных сред, см., на-
пример, книгу [29] и обзор [30]. В целом, демонстрация новых типов случайных лазеров неизменно вызывает широкий интерес исследователей, и достижение новых режимов генерации волоконного ВКР-лазера, не имеющего резонатора фиксированной длины, в котором генерация осуществлялась бы за счет случайной обратной связи являлось на момент начала нами работ в данном направлении действительно актуальным.

Таким образом, поставленные вопросы по демонстрации и описанию различных стохастических режимов генерации непрерывных волоконных ВКР-лазеров являются актуальными и требуют проведения соответствующих экспериментальных исследований.