Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году проведена оптимизация полностью волоконной схемы ВКР-лазера с прямой накачкой градиентного многомодового световода мощными многомодовыми лазерными диодами (ЛД) в части увеличения коэффициента заведения излучения диодной накачки, эффективности селекции основной поперечной моды волоконными брэгговскими решётками (ВБР) и возвращения в резонатор ВКР-лазера непреобразованного излучения накачки. В частности, коэффициент заведения излучения трех ЛД увеличен до 75% за счёт использования специально изготовленного многомодового объединителя накачки и многомодового градиентного световода увеличенного диаметра (100 мкм). В результате дифференциальная эффективность ВКР-преобразования при длине световода 1,1 км достигла 84%, а максимальная выходная мощность лазера на 954 нм превысила 62 Вт на пороге генерации второй стоксовой компоненты. Для малых мощностей генерации (<13 Вт) наблюдалась нестабильность параметров, причиной которой является конкуренция поперечных мод, существенная вблизи порога генерации. При увеличении мощности наблюдается стабильная генерация устойчивой группы низших мод с параметрами, слабо зависящими от мощности: параметр качества пучка M2=2,5-3,3, а ширина спектра генерации 0,2-0,4 нм. Продемонстрирована возможность увеличения эффективности селекции основной поперечной моды за счёт оптимизации поперечного размера резонаторных ВБР, формируемых при разной фокусировке фемтосекундного излучения в центральной области многомодовой сердцевины градиентного световода, за счёт чего качество пучка ВКР-лазера было улучшено до 2,2-2,6 при сравнимом пороге, мощности и эффективности генерации на 954 нм. Показано, что возможно дальнейшее улучшение селектирующих свойств ВБР за счет оптимизации формы ее поперечного профиля. Разработаны и реализованы внерезонаторные многомодовые ВБР, отражающие назад непреобразованное излучение накачки: установка на выходе лазера массива многомодовых высокоотражающих ВБР позволила уменьшить проходящую мощность накачки на 30-40% и соответственно уменьшить пороговую мощность с 120 до ~90 Вт. При этом мощность генерации (вдали от порога) также увеличивается на 20-40% при небольшом снижении дифференциальной эффективности. Разработана технология записи волоконных длиннопериодных решёток (ДПР) и наклонных брэгговских решёток методом поперечного сканирования фс импульсами сердцевины градиентного световода, исследованы их характеристики и влияние на порог генерации 2-го стоксова порядка в схеме волоконного ВКР-лазера с прямой диодной накачкой. Изготовлен образец наклонной ВБР в градиентном световоде (сердцевина 100 мкм) с амплитудой оболочечного резонанса -12 дБ и шириной около 10 нм, что сравнимо с шириной контура ВКР-усиления. Это позволило получить желаемый эффект увеличения порога второй стоксовой компоненты на 996 нм, однако при этом наблюдалось паразитное влияние брэгговских резонансов, отражающих в сердцевину высшие поперечные моды, что требует дальнейшей оптимизации характеристик наклонной ВБР. Получена генерация на разных длинах волн в схеме полностью волоконного (с сердцевиной 100 мкм) ВКР-лазера с прямой диодной накачкой, в том числе каскадная генерация 1 и 2 порядка, продемонстрирована возможность перестройки длины волны генерации от ~950 до ~1080 нм. В частности, реализована генерация ВКР-лазера с накачкой на 915 нм и перестройкой вблизи максимума усиления 1-го стоксова порядка в диапазоне 950-958 нм с выходной мощностью 55-65 Вт, а в ВКР-лазере с ВБР резонатором на 950 нм получена эффективная каскадная генерация 2-го стоксова порядка на 990 и 978 нм в открытом резонаторе с распределенной обратной связью на рэлеевском рассеянии для этих длин волн. Мощность генерации на 978 нм составила около 15 Вт, а параметр качества пучка M2=1,7-2, что заметно лучше, чем у первой стоксовой компоненты. Кроме того, получена генерация многомодового градиентного ВКР-лазера в полностью волоконной схеме с тандемной (каскадной) накачкой многомодовыми лазерными диодами на 976 нм и многомодовыми иттербиевыми волоконный лазерами на 1030 нм с выходной мощностью до 135 Вт на 1080 нм при абсолютной оптической эффективности 68%. Измеренный параметр качества пучка при максимальной мощности составил М2=2,5, что также достигнуто за счёт применения специальных резонаторных ВБР, сформированных фемтосекундным излучением в центральной области многомодовой сердцевины градиентного световода. Полученная эффективность генерации и яркость пучка являются рекордными для ВКР-лазеров на основе многомодовых градиентных световодов. Продемонстрирована возможность генерации второй гармоники (ГВГ) разработанного ВКР-лазера с прямой диодной накачкой на разных длинах волн в кристаллах PPLN с выходным излучением в синем диапазоне (477 и 489 нм). Мощность второй гармоники растет примерно квадратично с мощностью ВКР-лазера, т.е. небольшие изменения параметра качества пучка с ростом мощности принципиально не сказываются на режиме фокусировки, а ширина линии лазера не превышает ширины синхронизма кристалла, при этом значение эффективности ГВГ (~0,0015 1/Вт) примерно соответствует расчётному c учетом того, что излучение ВКР-лазера случайно поляризовано. Разработана технология записи случайных брэгговских решёток и исследовано их влияние на ВКР генерацию на примере одномодового световода, проведено сравнение со случайной обратной связью на рэлеевском рассеянии. Массив из 57 ВБР со случайным набором фаз и амплитуд в пассивном волокне с сохранением поляризации при накачке иттербиевым волоконным лазером (1045 нм) обеспечивает линейно-поляризованную ВКР-генерацию мощностью до 5,7 Вт на длине волны 1092 нм с шириной линии <0,08 нм. В припороговом режиме (~10 мВт) получена одночастотная генерация с шириной <100 кГц (0,0004 пм). В отличие от случайного лазера на рэлеевском рассеянии, такой вариант ВКР-лазера позволяет получать линейно-поляризованную одночастотную генерацию, причем в относительно коротком световоде. Кроме того, показано, что в простой схеме случайного рэлеевского ВКР-лазера с одним широкополосным волоконным зеркалом Саньяка можно получать высокоэффективную каскадную ВКР-генерацию до 5 стоксова порядка с перестройкой в широком спектральном диапазоне. В германосиликатном световоде диапазон перестройки ограничен точкой нулевой дисперсии (~1400 нм), а для фосфоросиликатного световода, обладающего в 3 большей величиной стоксова сдвига, ее можно «проскочить» – получено до 9 Вт на 1515 нм. Также были исследованы новые схемы селекции продольных мод на основе волоконного отражательного интерферометра (ВОИ) с тонкой металлической пленкой. В волоконном лазере с полупроводниковым оптическим усилителем и ВОИ продемонстрирована одночастотная линейно-поляризованная генерация мощностью ~1 мВт с шириной линии 217 кГц. Использование тонкой металлической пленки затрудняет его применение в мощных волоконных лазерах с накачкой многомодовыми лазерными диодами. Для преодоления данного недостатка была предложена и впервые реализована схема полностью дифракционного варианта ВОИ на основе диэлектрического рассеивателя. Результаты данной работы открывают перспективы для применения ВОИ для селекции мод в мощных волоконных лазерах. Таким образом, все запланированные на данном этапе работы выполнены, при этом обнаружены новые эффекты и режимы генерации непрерывного волоконного ВКР-лазера с прямой диодной накачкой, которые будут исследованы вместе с ранее запланированными на следующий этап работами по исследованию импульсных схем ВКР-генерации, по которым также сделан хороший задел в отчетном году. Полученные за год результаты представлены в 21 докладах (из них 4 приглашенных, 12 устных и 5 стендовых) на ведущих международных конференциях в области оптики, фотоники и лазерной физики, и опубликованы в 1 монографии и 22 статьях, из них 12 - в высокорейтинговых журналах из баз Web of Science и Scopus, результаты проекта отражены в Интернете на странице лаборатории волоконной оптики ИАиЭ: http://www.iae.nsk.su/index.php/ru/laboratory-sites/l17

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 году разработаны основы технологии записи решёток со случайной 1Д-3Д (как в продольном, так и поперечных направлениях) структурой и изучено их влияние на спектр, модовый состав и пространственно-временную динамику волоконного ВКР-лазера. В частности, оптимизирована конфигурация ВКР-лазера на основе массива слабоотражающих ВБР со случайной фазой и амплитудой: пороговая мощность накачки составила менее 1 Вт, при выходной мощности на уровне десятков милливатт наблюдается одночастотная генерация с шириной <50 кГц, максимальная мощность достигает 6 Вт при ширине линии <80 пм. Исследованы свойства ВБР, записанных фс лазером со смещением по продольной и поперечной координате одновременно на модельном объекте (2-сердцевинном световоде с сильной связью сердцевин): при продольном расстоянии между ВБР много меньше длины биений, решётки образуют аналог интерферометра Майкельсона, что приводит к модуляции спектрального контура отражения – это позволило получить многоволновую ВКР-генерацию с шириной отдельного пика сравнимой с величиной аппаратной функции анализатора (20 пм) в припороговом режиме, а добавление на выход волокна третьей решётки позволяет селектировать один узкий пик (<50 пм) при уровне выходной мощности несколько Ватт. Получена генерация лазерных пучков с разным профилем интенсивности за счёт формирования методом фемтосекундной записи ВБР со специальной поперечной (2Д) структурой в сердцевине многомодового градиентного световода: изготовлены фс-ВБР для оптимальной селекции как основной (LP01), так и следующей поперечной моды (LP11) и применены в качестве выходных отражателей резонатора ВКР-лазера на основе градиентного световода с прямой диодной накачкой, в котором продемонстрирована преимущественная генерация соответствующей моды. В лазере с преимущественной генерацией основной моды (LP01) обнаружено, что примесь высших мод и режим генерации существенным образом зависят от сдвига длины волны отражения ВБР относительно спектрального максимума ВКР-усиления. В 100-мкм градиентном ВКР-лазере с диодной накачкой на 915 нм генерация на коротковолновом крыле контура усиления (950 нм) стабильна практически во всем диапазоне мощностей и имеет лучшее качество пучка (M2=2-2.2), тогда как генерация на длинноволновом крыле (958 нм) нестабильна при мощности <45 Вт и имеет худшее качество пучка (M2=3-3.5) поскольку здесь моды высшего порядка имеют больший коэффициент усиления по отношению к основной поперечной моде. Реализованы новые схемы импульсной генерации многомодового волоконного ВКР-лазера с диодной накачкой и изучены различные режимы распространения и нелинейного преобразования импульсов в градиентных световодах и пассивных резонаторах. В частности, с помощью акустооптического модулятора получен режим модуляции добротности ВКР-лазера на основе многомодового градиентного световода с диаметром сердцевины 62.5 мкм с диодной накачкой на 976 нм: импульсы на 1020 нм с энергией до 20 мкДж содержат кроме основного импульса длительностью ~10 мкс затухающие уширенные сателлиты с периодом 37 мкс (соответствующим времени обхода резонатора) из-за частичного пропускания мод высшего порядка закрытым модулятором. Получен и исследован режим синхронизации мод такого ВКР-лазера: на частоте обхода (27 кГц) наблюдается комплекс из нескольких коротких импульсов (~2 нс), количество которых растет с ростом мощности накачки, при этом энергия каждого импульса (~2 мкДж) ограничена порогом ВКР преобразования во вторую стоксову компоненту (1065 нм). Структура спектра и измеренный параметр качества (М2=3-4) свидетельствует о значительной примеси нескольких поперечных мод, но генерируемый пучок имеет стабильные характеристики, что свидетельствует о формировании в многомодовом градиентном световоде устойчивых пространственно-временных структур с участием керровской нелинейности, которая существенна при достигнутой пиковой мощности (~1 кВт); Проведена оптимизация и получены стабильные режимы непрерывной генерации полностью волоконного ВКР-лазера с прямой диодной накачкой на 915 и 940 нм в различных схемах ВБР резонатора (обычного и каскадного) с генерацией пучка улучшенного качества на разных длинах волн в диапазоне 950-1000 нм и генерацией второй гармоники на 477 и 488 нм в нелинейных кристаллах. В частности, в ВКР-лазере с накачкой на 915 нм реализована, исследована и оптимизирована каскадная генерация второй стоксовой компоненты на разных длинах волн (976 и 996 нм). Показано, что использование для второго порядка полуоткрытого резонатора с одной плотной ВБР и случайной распределённой обратной связью (СРОС) на рэлеевском рассеянии вместо линейного резонатора из двух ВБР позволяет значительно увеличить мощность, качество и эффективность генерации, а также обеспечить перестройку длины волны выходного излучения без существенной потери мощности - в эксперименте продемонстрирован диапазон 978-996 нм. Максимальная дифференциальная эффективность преобразования накачки во вторую стоксову компоненту достигает 70% (на 996 нм), а выходная мощность - 27 Вт при качестве пучка M2~1.6. В ВКР-лазере с накачкой на ~940 нм реализована мощная генерация на 976 нм в первом порядке с параметрами, незначительно превышающими полученные ранее параметры генерации на 954 нм (с диодной накачкой на 915 нм) в той же схеме с 100-мкм градиентным световодом длиной 1.1 км, при этом возможно увеличение мощности до 100 Вт и более, однако для длительной работы в этом режиме необходимо устранить технические проблемы при выводе такой мощности. Решение этих проблем в схеме с тандемной (каскадной) накачкой многомодовыми лазерными диодами на 976 нм и многомодовыми иттербиевыми волоконный лазерами на 1030 нм позволило увеличить мощность ВКР-генерации в градиентном световоде с ВБР резонатором на 1080 нм до 135 Вт при качестве пучка М2=2.5. Кроме того, реализована генерация второй гармоники в нелинейном кристалле MgO:PPLN мощностью около 1 Вт на 477 нм при мощности ВКР-лазера с диодной накачкой около 25 Вт неполяризованного излучения на 954 нм, при этом мощность ГВГ растет квадратично с коэффициентом 0,0016 1/Вт. Сравнимые результаты получены для ГВГ на 488 нм, при этом ВКР-генерация второго порядка дает большую эффективность ГВГ благодаря лучшему качеству пучка в этом случае. На основе проведенных исследований были созданы лабораторные макеты лазеров для экспериментов по их практическому применению в разных областях. А именно, полностью волоконный мощный ВКР- лазер с прямой диодной накачкой и генерацией в области 976 нм с высоким качеством пучка, что позволяет применять его как яркий источник накачки волоконных и твердотельных лазеров; полностью волоконный мощный ВКР- лазер с прямой диодной накачкой и генерацией в области 954 нм и/или 996 нм с высоким качеством пучка, что также позволяет применять его как яркий источник накачки волоконных и твердотельных лазеров; генератор второй гармоники на основе нелинейного кристалла к вышеупомянутым лазерам, позволяющий генерировать синее излучение мощностью до 1 Вт на 477 нм или 488 нм, как замена газоразрядным аргоновым лазерам в широкой области их применений, что позволит решать и новые задачи визуализации в биомедицинской диагностике и в лазерных дисплеях. А также источник мощных (~2 мкДж) коротких (~2 нс) импульсов на ~1 мкм (с возможностью ГВГ на ~0,5 мкм) для синхронной накачки других импульсных твердотельных и волоконных лазеров (в т.ч. фемтосекундных) и решения задач спектроскопии с временным разрешением, биомедицинской диагностики и микрообработки материалов. Таким образом, все запланированные на данном этапе работы выполнены, при этом обнаружены и исследованы новые эффекты и режимы генерации непрерывного волоконного ВКР-лазера с прямой диодной накачкой. Полученные за год результаты представлены в 17 докладах (из них 4 приглашенных и 13 устных) на ведущих международных конференциях в области оптики, фотоники и лазерной физики, и опубликованы в 1 монографии и 22 статьях, из них 14 - в высокорейтинговых журналах из баз Web of Science и Scopus, результаты проекта отражены в Интернете на странице лаборатории волоконной оптики ИАиЭ: http://www.iae.nsk.su/index.php/ru/laboratory-sites/l17