Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году выполнены экспериментальные и теоретические исследования свойств лазерной генерации и свойств выходного излучения короткоимпульсных волоконных источников излучения с резонаторами, использующими нелинейное усиливающее петлевое зеркало с двумя активными средами (NALM2). В результате исследований выявлены новые свойства этого искусственного насыщающего поглотителя, параметры которого могут изменяться в относительно широких пределах при изменении соотношения мощностей излучения накачек. Изучена функция пропускания NALM2, установлены вариации её формы в зависимости от соотношения мощностей излучения накачек. Исследовано изменение длительности и формы пикосекундных импульсов при пиковых мощностях излучения, близких к мощности насыщения NALM2, показано, что регулировка соотношения мощностей излучения накачек позволяет сдвинуть максимальную мощность насыщения NALM2 в область более высоких пиковых мощностей излучения импульсов. Экспериментально и теоретически установлен эффект временного сжатия импульсов по прохождению NALM2 в режиме его насыщения. В пренебрежении дисперсией NALM2 временное сжатие пикосекундных импульсов может быть более, чем в 2 раза, что свидетельствует о том, что NALM2 может выполнять также функцию временного компрессора. Выявленные закономерности и нелинейные свойства NALM2 дают возможность использовать его как более универсальный saturable absorber для синхронизации мод волоконных лазеров с варьируемой пиковой мощностью излучения ультракоротких импульсов. По результатам этих работ подготовлена статья “Properties of artificial saturable absorber based on NALM with two pumped active fibers”, которая будет направлена в журнал Optics Express в начале 2018 г. Кроме того, результаты этих работ докладывались на международной конференции 39th PIERS (A.Kokhanovskiy, A. Ivanenko, S. Smirnov, and S. Kobtsev. NALM with dual pump as artificial saturable absorber inside a laser cavity. 39th PIERS: Progress In Electromagnetics Research Symposium, Simposium panel: Optical Fiber Lasers and Fiber Sensors, 19 - 22 November 2017, Singapore). Последние результаты этих работ будут представлены на конференции Photonics West 2018 (S. Kobtsev, A. Ivanenko. Mode-locked NALM-based fibre master oscillator with controllable operation regimes. Conference panel: Optical Components II, Paper 10528-65). Исследование возможностей и ограничений увеличения энергетических параметров излучения короткоимпульсных волоконных источников излучения с NALM2 показало, что стабильная синхронизация мод излучения достигается при относительно высоких пиковых мощностях излучения пикосекундных импульсов (> 100 Вт), при относительно низких пиковых мощностях наблюдается значительное изменение формы импульсов при прохождении NALM2. Результаты этих исследований будут представлены на конференции Photonics West 2018 (S. Kobtsev, A. Ivanenko, S. Smirnov, A. Kokhanovsky. Modified nonlinear amplifying loop mirror for mode-locked fibre oscillators with record-high energy and high-average-power pulsed output. Conference panel: New Nonlinear Materials, Paper 10516-52). Также в 2017 году нами были впервые предложены и исследованы эрбиевые волоконные лазеры с синхронизацией мод излучения и новыми топологиями резонаторов. Предложенные капле-образные и B-образные резонаторы с использованием оптического коллиматора со сдвоенным волокном позволили реализовать относительно простые кольцевые резонаторы с возможностью плавной регулировки их длины. Продемонстрирована высококачественная синхронизация мод в эрбиевом лазере с новой топологией резонатора, обеспечивающая генерацию импульсов длительностью 370 фс. Частота повторения импульсов составляла 25 МГц и могла плавно варьироваться в диапазоне +/-3 kHz при изменении расстояния между используемым коллиматором и зеркалом резонатора, что даёт возможность стабилизации частоты повторения импульсов и применения волоконных лазеров с новыми топологиями резонаторов в метрологических и других приложениях, требующих высокой стабильности частоты повторения импульсов. Результаты этих работ опубликованы в статье B.N.Nyushkov, S.M.Kobtsev, N.A.Koliada, A.A.Antropov, V.S.Pivtsov, A.V.Yakovlev. Mode-locked fibre lasers with an adjustable drop-shaped cavity. Laser Physics Letters, v. 14, Issue 11, 115101 (2017). Кроме того, результаты этих работ были темой приглашенного доклада на международном симпозиуме CRWLP-2017 (B.N.Nyushkov, A.V.Ivanenko, S.M.Kobtsev, N.A.Koliada, S.I.Trashkeev, A.A.Antropov. Recent advances in development of mode-locked fiber lasers: special cavity topologies and novel fiber-optics elements. Chinese-Russian Workshop on Laser Physics, Fundamental and Applied Photonics 2017, Nanjing Tech University, Nanjing (China), 21-24 April 2017). Последние результаты этих работ будут представлены на конференции Photonics West 2018 (S. Kobtsev, B. Nyushkov, N. Koliada, A. Antropov, V. Pivtsov, A. Yakovlev. New topologies of femtosecond Er:fibre laser cavities. Conference panel: Novel Microresonator Topologies and Sensors III, Paper 10518-75). Важным результатом работ 2017 года была впервые предложенная и исследованная новая топология компактного цельноволоконного лазера с сохранением поляризации излучения, позволяющая реализовать квазирегенеративную синхронизацию мод, объединяющую преимущества традиционной активной синхронизации мод (когда внутрирезонаторный модулятор управляется сигналом от независимого радиочастотного генератора) и регенеративной синхронизации мод (когда модулятор управляется сигналом межмодовых биений самого лазерного излучения). Такая схема основывается на использовании задающего радиочастотного генератора в режиме фазовой автоподстройки его частоты по фактической межмодовой частоте лазерного излучения с возможностью работы на кратных частотах и реализации гармонических режимов синхронизации мод. Результаты этой работы опубликованы в статье Б.Н.Нюшков, А.В.Иваненко, С.М.Кобцев, В.С.Пивцов, С.А.Фарносов, П.В.Покасов, И.И.Корель. Квазирегенеративная синхронизация мод в компактном цельноволоконном лазере с сохранением поляризации. Квантовая электроника, v. 47, №12 (2017).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 году выполнены экспериментальные и теоретические исследования свойств лазерной генерации и свойств выходного излучения короткоимпульсных волоконных источников излучения с резонаторами различных топологий, в которых реализовано управление внутрирезонаторным излучением следующими методами: с помощью нелинейного усиливающего петлевого отражателя с двумя активными средами, с помощью полупроводниковой активной среды с синхронной накачкой, с помощью технологии ультрадлинных резонаторов с локальной минимизацией нелинейности и дисперсии среды резонатора. Исследование свойств искусственного насыщающегося поглотителя на основе нелинейного усиливающего петлевого отражателя с двумя независимо накачиваемыми активными средами выявило уникальные возможности по управлению максимальной мощностью насыщения этого поглотителя, позволяющие достичь в волоконных лазерах с использованием поглотителя этого типа рекордно высоких энергий импульсов непосредственно на выходе лазера без применения дополнительных каскадов усиления. Показано, что регулировка соотношения мощностей излучения накачек активных сред позволяет сдвинуть максимальную мощность насыщения такого поглотителя в область более высоких пиковых мощностей излучения импульсов. Установленные закономерности и механизмы генерации обеспечивают физическую основу для дальнейших исследований и разработок новых топологий резонаторов волоконных лазеров с нелинейными усиливающими петлевыми отражателями следующего поколения. Исследование свойств лазерной генерации гибридного лазера, в котором полупроводниковый оптический усилитель используется в качестве активной среды волоконного лазера с синхронизацией мод излучения, позволило определить качественно другие возможности управления параметрами лазерной генерации. Показано, что при синхронизации мод с помощью электрической синхронной накачки возможно профилирование генерируемых лазерных импульсов с помощью соответствующего профилирования управляющих электрических импульсов, что является новым подходом к генерации лазерных импульсов заданной формы. Исследование подхода, основанного на технологии ультрадлинных резонаторов с локальной минимизацией нелинейности и дисперсии среды резонатора, проводилось теоретически с использованием численного моделирования на основе метода расщепления по физическим процессам для нелинейного уравнения Шрёдингера. В ходе исследований определены условия, при которых происходит переход от режима генерации когерентных импульсов к режиму генерации двух-масштабных (или шумоподобных) импульсов для резонаторов с длинами до 1 км. Показано, что минимизация одного из параметров (нелинейности либо дисперсии) приводит к генерации двух-масштабных импульсов при меньшей длине резонатора (до 100 м), в то время как минимизация обоих параметров (нелинейности и дисперсии) или её отсутствие ведёт к устойчивой генерации когерентных импульсов, характеризующимися относительно большой частотной модуляцией (“чирпом”) и относительно высокой энергии вплоть до длин резонаторов 1 км. Важным результатом явилось выявление устойчивости генерации импульсов в ультрадлинном резонаторе при учёте в моделировании квантовых шумов, значительных потерь в удлиняющем волокне и флуктуаций интенсивности излучения накачки. Важным результатом исследований, выполненных в ходе второго этапа проекта, явилось достижение рекордно широкой области перестройки длины волны излучения короткоимпульсного волоконного эрбиевого лазера с резонатором на основе новой “каплеобразной” топологии. Особенностью этой топологии является уникальная комбинация наиболее простой схемы кольцевого волоконного лазера с дискретным спектрально-селективным отражателем. Реализована область перестройки длины волны фемтосекундных импульсов длительностью 503-940 фс в ультра-широком диапазоне – от 1524 до 1602 нм. Важным преимуществом новой топологии резонатора является то, что перестройки длины волны во всей спектральной области производится без срыва режима синхронизации мод и в режиме стабильной одноимпульсной (один импульс за обход резонатора) генерации. Нелинейные преобразования излучения короткоимпульсных волоконных лазеров с резонаторами на основе новых топологий требуют также новых подходов к топологии оптических схем для эффективного нелинейного преобразования импульсов. Одним из таких подходов явился разработанный в ходе выполнения второго этапа проекта метод нелинейной конверсии двух-масштабных импульсов в длинноволновую область спектра с помощью однокаскадного вынужденного комбинационного рассеяния в фосфоросиликатном волокне, отличающемся относительно большим стоксовым сдвигом. Конверсия выполнена в условиях синхронной накачки внешнего волоконного резонатора из фосфоросиликатного волокна с подстройкой частоты следования импульсов к межмодовой частоте внешнего резонатора. Это позволило получить двух-масштабные импульсы с центральной длиной волны 1270 нм и рекордной энергией 63 нДж при длительности огибающей импульса 88-180 пс и длительности суб-импульсов 200 фс. Доля излучения, преобразованного в область длины волны 1270 нм, составила 47% от всей мощности преобразованного излучения. Впервые выполнен сравнительный анализ топологий резонаторов волоконных лазеров с синхронизацией мод излучения. Показано, что применение различных топологий и преимуществ волоконных технологий позволяет реализовать заданные комбинации дисперсионных, нелинейных, поляризационных и других свойств волоконных резонаторов, сложно реализуемых или нереализуемых методами традиционной дискретной лазерной оптики. Результаты данной работы позволяют рассматривать топологический инжиниринг волоконных лазеров с синхронизацией мод излучения в качестве новой быстро развивающейся перспективной области исследований и разработок.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На третьем заключительном этапе проекта были закончены экспериментальные исследования короткоимпульсного волоконного эрбиевого лазера с резонатором на основе новой каплеобразной топологии и были подтверждены преимущества этого типа резонаторов по сравнению с более сложными резонаторами на основе “тета” схемы. “Каплеобразная” схема резонатора волоконного эрбиевого лазера позволяет реализовать уникальную комбинацию кольцевого волоконного резонатора минимальной длины с естественным насыщающимся поглотителем и дискретным спектрально-селективным элементом. Использование в таком резонаторе волокон с поддержкой поляризации излучения обеспечивает высокую стабильность и воспроизводимость параметров генерации в широком диапазоне изменений условий внешней среды. Дополнительную гибкость управления параметрами генерации лазера с резонатором на основе “каплеобразной” топологии обеспечивает замена насыщающегося поглотителя с фиксированными параметрами на насыщающийся поглотитель, параметры которого могут варьироваться под управлением электрического сигнала и/или оптического излучения. Такой управляемый поглотитель с использованием электрохимически легированных углеродных нанотрубок был исследован в волоконном лазере, результаты свидетельствуют о возможности переключения и оптимизации режимов генерации. Особое внимание на третьем этапе проекта было уделено изучению возможностей и ограничений управления параметрами генерации короткоимпульсных волоконных источников излучения при помощи динамически изменяемого воздействия. Были проанализированы два подхода – с использованием динамически изменяемой конфигурации резонатора и с помощью динамически изменяемой формы импульсов накачки при синхронной накачке. Анализ показал, что управление временной формой импульсов при синхронной накачке может обеспечить существенно более тонкое управление профилем генерируемых импульсов по сравнении с методом динамически изменяемой конфигурация резонатора, реализуемым с помощью электроуправляемых волоконно-оптических переключателей. Экспериментальные исследования физики генерации гибридного волоконно-полупроводникового лазера с синхронной накачкой впервые выявили возможность конверсии электрических импульсов в оптические, при которой форма и структура световых импульсов прецизионно повторяют форму и структуру управляющих электрических импульсов, используемых для синхронной накачки полупроводникового оптического усилителя, используемого в качестве активной среды волоконного лазера. активной среды волоконного лазера. Ключевыми факторами, благодаря которым можно было осуществить программно-управляемую генерацию сложно-произвольных лазерных импульсов, явились: относительно малое время отклика полупроводникового оптического усилителя, синхронная накачка полупроводникового оптического усилителя в режиме модуляции усиления, относительно большая длительность импульсов и их относительно невысокая пиковая мощность. Относительно малое (пикосекундное и суб-пикосекундное) время отклика полупроводникового оптического усилителя позволяет использовать разработанный и исследованный метод в суб-микросекундном диапазоне длительностей. Преимуществами предложенного подхода генерации оптических импульсов с практически произвольным временным профилем являются относительно высокая энергоэффективность генерации (в сравнение с методами, основанными на использовании модуляторов излучения), стабильный оптический спектр излучения (в сравнении с методами, основанными на прямой модуляции тока диодных лазеров) и высокое отношение сигнал/шум, присущее режиму синхронизации мод излучения. Выявленные закономерности и механизмы генерации лазерных импульсов с широко и прецизионно управляемой формой позволят создать импульсные источники лазерного излучения нового поколения для научных и практических приложений.