Диссертация: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАЦИИ ВОЛОКОННЫХ ВКР-ЛАЗЕРОВ

Волоконная оптика является одной из интенсивно развивающихся областей современной науки, её достижения в настоящий момент востребованы как во многих научных исследованиях, так и в практических приложениях [1]. Одним из наиболее ярких достижений волоконной оптики является создание волоконных лазеров, имеющих широкий круг различных применений, таких как волоконно-оптические линии связи, медицина, метрология, спектроскопия, промышленная обработка материалов и т.д.

Существует большое многообразие различных типов волоконных лазеров: от непрерывных лазеров до фемтосекундных импульсных лазеров, от систем с относительно низкой мощностью для сенсорных и теле-коммуникационных приложений до мощных лазеров, имеющих военные и промышленные приложения [2, 3]. Постоянный прогресс в лазерных технологиях происходит благодаря достижениям в области материаловедения и улучшению понимания физических механизмов, лежащих в основе работы волоконных лазеров. Принципиальную роль здесь играют методы, направленные на описание нелинейных процессов, которые оказывают существенное влияние на свойства излучения в достаточно мощных лазерах. В частности, нелинейный эффект Керра приводит к уширению спектра излучения в непрерывных волоконных лазерах. Спектральное уширение может привести к уменьшению эффективности лазерной генерации, поэтому данный эффект является нежелательным для некоторых
приложений. С другой стороны, эффект спектрального уширения имеет множество практических применений, например лежит в основе генерации суперконтинуума и служит для генерации излучения на нескольких
длинах волн.

Особое внимание стоит уделить лазерам, принцип действия которых основан на нелинейном оптическом явлении в световоде — вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР-лазеры). В настоящее время актуальной задачей является расширение спектрального диапазона генерации волоконных лазеров. Волоконные лазеры, работающие на различных длинах волн, могут применяться, например, в медицине или для на качки лазерных структур. Длины волн излучения волоконных лазеров на световодах, легированных редкоземельными элементами, не охватывают
всего спектрального диапазона прозрачности световодов на основе кварцевого стекла. Поэтому для создания волоконных источников в области 1.6-1.7 мкм применяются ВКР-лазеры, которые позволяют эффективно
преобразовывать лазерное излучение накачки в излучение на более низких частотах (стоксово излучение), используя явление ВКР в оптическом волокне. ВКР-лазеры и конвертеры используются для усиления сигнала
в волоконно-оптических линиях связи и служат универсальными источниками накачки волоконных усилителей для различных спектральных диапазонов. Также они применяются в медицине, обработке материалов, рамановской спектроскопии, системах наведения и оптической локации.

Таким образом, важной областью использования нелинейных оптических явлений является совершенствование современных и разработка перспективных оптоволоконных устройств. Исследование нелинейных оптических явлений в световоде и понимание их роли в генерации сигнала способствует дальнейшему развитию волоконных лазерных технологий. Стоит отметить, что современные волоконные лазеры являются сложными и дорогостоящими системами, состоящими из множества компонентов. Создание конкретных экспериментальных приборов требу
ет длительного научного поиска, который зачастую нельзя реализовать в эксперименте в силу дороговизны или отсутствия необходимых компонентов, а также большого количества оптимизационных параметров.

Другой проблемой является ограниченное разрешение экспериментальных измерительных приборов и отсутствие возможности напрямую измерить внутрирезонаторные характеристики излучения. На этапе создания и оптимизации новых волоконных лазеров эффективным решением обозначенных проблем является использование методов математического моделирования. Математическое моделирование волоконных лазеров позволяет осуществлять объёмную оптимизацию параметров резонатора, а также выполнять детальное исследование влияния нелинейных процессов на свойства излучения. Учитывая этот факт, а также всё выше изложенное, можно сделать вывод, что математическое моделирование нелинейных режимов генерации волоконных лазеров с различными конфигурациями резонатора и свойствами выходного излучения является сложной и актуальной задачей, требующей знания физических принципов работы лазеров.