Диссертация: Исследование режимов генерации диссипативных солитонов в волоконных иттербиевых лазерах

В настоящее время применение волоконных импульсных лазеров получает все большее распространение как в фундаментальных исследованиях, так и в практических приложениях. Аккумулирование энергии генерируемого излучения в коротком лазерном импульсе позволяет получать высокие энергии и пиковые мощности излучения импульсов, создавая уникальные условия для изучения сверхбыстрых процессов и нелинейных эффектов, а также для обработки и модификации свойств материалов.

Длительность импульсов может варьироваться от нескольких микро- и субмикросекунд (лазеры с модуляцией добротности резонатора) до нескольких десятков фемтосекунд (лазеры с синхронизацией мод (СМ) излучения). Волоконные лазеры сверхкоротких импульсов имеют ряд важных особенностей. С одной стороны использование оптических волокон позволяет создавать лазерные резонаторы длиной в сотни и тысячи метров, предоставляя возможность управления энергией импульсов непосредственно в задающем генераторе. С другой стороны, так как распространение света в волоконных лазерах происходит не в вакууме, а в среде (как правило, в кварце), то на эволюцию импульсов также оказывают влияние процессы, связанные с взаимодействием излучения с веществом. Дисперсия и нелинейные эффекты, которыми можно управлять выбирая параметры волокна (диаметр сердцевины,
разница показателей преломления сердцевины и оболочки, и др.), играют важную роль в формировании и эволюции импульсов.

В зависимости от длины волны излучения и дисперсионных характеристик используемых волокон результирующая дисперсия резонатора волоконного лазера может быть нормальной, близкой к нулю, и аномальной. В зависимости от величины суммарной дисперсии резонатора реализуются различные режимы генерации импульсов. В среде с аномальной дисперсией и пренебрежимо малыми потерями энергии, формируются спектрально ограниченные импульсы, так называемые, классические солитоны (КС), распространяющиеся без изменения формы и длительности, вследствие согласованного действия дисперсионного сжатия и нелинейного уширения. В области нормальной дисперсии формируются импульсы, обладающие частотной модуляцией (часто называемые чирпованными импульсами), - диссипативные солитоны (ДС) - пакеты поля, устойчивая локализация которых вызвана балансом притока и оттока энергии в нелинейной среде.

Энергия ДС может в сотни раз превышать энергию КС, за счет большей длительности. ДС могут быть усилены без существенного изменения исходных параметров и сжаты до спектрально ограниченных импульсов внешним компрессором. Возможность генерации ДС в различных спектральных диапазонах, а также возможность управления их формой, длительностью и энергией в широких пределах делают ДС востребованными во многих исследовательских и прикладных задачах. Однако полученные режимы генерации ДС и методы управления их
параметрами до настоящей работы были далеко не полностью изучены и, кроме того, ряд нерешенных ключевых проблем ограничивает пока использование ДС в решении пользовательских задач.

Во-первых, перестройка длины волны излучения в широком спектральном диапазоне ограничена шириной полосы усиления редкоземельных металлов.

Расширение этого диапазона за счет вынужденного комбинационного рассеяния или генерации суперконтинуума не является простой задачей, решение которой позволило бы получить лазерные импульсы с заданными параметрами с широком спектральном диапазоне.

Во-вторых, для полностью волоконных иттербиевых лазеров существует существенно меньше возможностей управления длительностью импульсов по сравнению с полностью волоконными эрбиевыми лазерами, так как для спектральной области 1,0-1,1 мкм нет стандартных и коммерчески доступных недорогих волокон с
аномальной дисперсией.

Компенсация положительной дисперсии резонатора в полностью волоконных иттербиевых лазерах производится либо за счёт использования специальных волокон: микроструктурированного волокна [1] или волокна с модами высших порядков в сочетании с длиннопериодными брэгговскими решетками [2] или вытянутого (биконического) волокна [3] или полого световода с фотонной запрещенной зоной [4], либо за счет использования чирпованных волоконных брэгговских решёток, являющихся одновременно и спектральными фильтрами [5, 6]. Методы компенсации дисперсии с использованием этих компонентов позволяют управлять длительностью импульса, однако они не свободны от существенных недостатков: для микроструктурированного волокна имеется проблема соединения его со стандартным волокном, сердцевина вытянутого (биконического) волокна граничит непосредственно с воздухом, а чирпованные брэгговские решётки, как и длиннопериодные брэгговские решетки, являются относительно дорогими.

Эти обстоятельства стимулируют изучение процессов формирования солитонов и управления их свойствами в лазерах без компенсации дисперсии и генерации импульсов, обладающих частотной модуляцией. Актуальным является вопрос о влиянии внутрирезонаторной спектральной фильтрации на форму сильно чирпованных импульсов [7, 8]. Стоит отметить, что применяемые ранее широкополосные фильтры, выполненные на основе брэгговских решёток с шириной полосы отражения более 1 нм за счёт апериодической модуляции показателя
преломления, характеризуются относительно высокой дисперсией групповой скорости, а объемные элементы [7, 9] не позволяют реализовать лазер в полностью волоконной конфигурации.

И в-третьих, одним из наиболее надёжных способов запуска режима СМ является использование специальных внутрирезонаторных устройств - насыщаемых поглотителей (НП), способных осуществить самостарт и поддержание режима СМ.

Однако, в настоящий момент, для волоконных лазеров не существует универсальных коммерчески доступных НП, удовлетворяющих всем предъявляемым к ним основным требованиям. Полупроводниковые НП имеют ограниченный срок службы, обусловленный работой НП в условиях высокой плотности мощности излучения при
наличии примесей и дефектов материала. В волоконных лазерах на основе нелинейной эволюции поляризации используются волоконные контроллеры поляризации, действие которых основано на сдавливании/скручивании волокна, что приводит к временному изменению параметров двулучепреломления волокна из-за пластической механической деформации аморфного плавленного кварца, или наборы объемных волновых пластинок, обеспечивающих более высокую стабильность параметров двулучепреломления резонатора, однако не позволяющих реализовать лазер в полностью волоконной конфигурации. Использование активной СМ с применением быстрых оптических модуляторов (10-40 ГГц) не позволяет получить импульсы короче 2,5-10 пс. В связи с этим поиск надёжных НП, способных стать альтернативой существующим устройствам синхронизации мод излучения, является актуальной современной задачей.