Российские ученые экспериментально и теоретически подтвердили универсальные зависимости частоты и длительности импульсов от мощности генерации эрбиевых волоконных лазеров. Результаты работы упростят прогнозирование параметров проектируемых эрбиевых лазеров. Статья опубликована в журнале Optics and Laser Technology.
Эрбиевый лазер — твердотельный лазер, активной средой которого могут являться кристаллы или стёкла, легированное ионами эрбия (Er3+). Данные лазеры широко используются в медицине, телекоммуникациях, материаловедении и в промышленности. Классические волоконные лазеры характеризуются низким уровнем легирования активной среды и большой длиной резонатора. Такие лазерные резонаторы формируют широкий спектр излучения, состоящий из большого количества продольных мод. Уменьшение длины резонатора приводит к спектральному сужению излучения лазера вплоть до излучения на одной моде. Кроме длины резонатора, на характеристики излучения влияет концентрация ионов эрбия в активной среде.
Эффективная миниатюризация эрбиевых волоконных лазеров является важной задачей в современной оптике. Одним из решений является увеличение степени легирования активной среды лазера. Увеличение концентрации ионов эрбия приводит к их взаимодействию, что, в свою очередь, меняет конфигурацию квантовых уровней среды. Из-за этого лазер начинает излучать в импульсном режиме.
Коллектив физиков из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и МФТИ с коллегами изготовил два набора активных волокон, легированных эрбием: волокна с относительно высокой концентрацией эрбия в сердцевине (≈ 0,03 %) и с чрезвычайно высокой концентрацией эрбия в сердцевине (≈ 0,3 %). Лазеры с такими активными средами обладают двумя порогами генерации: первый порог характеризует начало генерации в импульсном режиме, второй — переход в режим непрерывного излучения.
«Для понимания формирования импульсов все еще не хватало знаний об общих фундаментальных чертах импульсного режима в зависимости от управляющих величин. В данном исследовании мы экспериментально обнаружили такую зависимость. Также продемонстрировали степенное поведение параметров системы (средней мощности излучения, частоты и длительности импульсов) в широком диапазоне значений интенсивности накачки выше критической точки. Наша группа подробно изучила зависимость параметров и режимов работы, а именно перехода от импульсного режима к режиму непрерывной генерации, от длины резонатора, степени легирования и мощности накачки»,— объяснил Александр Смирнов, доцент МГУ им. М. В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник МФТИ.
Ученые получили зависимости длительности и частоты лазерных импульсов для различных длин волн генерации (1539–1557 нм) и длин резонаторов. В проведенных экспериментах они показали универсальную зависимость частоты, длительности и амплитуды импульсов от мощности излучения эрбиевых лазеров. Также физики определили критические индексы для созданных волоконных лазеров. Их величины отличны от стандартных целых и полуцелых значений, что говорит о нетривиальности полученных зависимостей. Однако значительное различие степени легирования волокон, длин лазерных резонаторов слабо влияет на отклонение критических индексов.
«Мы достаточно продолжительное время занимаемся изучением и разработкой эрбиевых волоконных лазеров. Ранее нами проводился сравнительный анализ импульсного режима работы эрбиевого лазера при накачке на длинах волн 1490 нм и 976 нм. На первый взгляд, резонансное возбуждение на длине волны 1490 нм приводило к резкому увеличению частоты импульсов и уменьшению его длительности по сравнению с возбуждением на длине волны 976 нм. Однако, учитывая модель, представленную нами в работе 2018 года , мы предположили: раз возникновение импульсов обусловлено самим процессом генерации, то частота следования и длительность импульсов должны в первую очередь зависеть от мощности генерации, а не от накачки, и приобретать некий универсальных характер. Экспериментальные данные этой работы полностью подтвердили это предположение. Мы показали, что частота и длительность импульсов определяются мощностью излучения», — рассказал Бутов Олег, заместитель директора по науке ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, ведущий научный сотрудник МФТИ.
Ученые планируют продолжить работу по созданию и изучению свойств линейно поляризованных эрбиевых волоконных лазеров, устойчиво работающих в одномодовом режиме с предельно узкой линией генерации.
Работа сделана в коллаборации ученых из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, МФТИ, ВШЭ, МГУ им. М. В. Ломоносова, Института общей физики им. Прохорова РАН, НИИ автоматики им. Духова и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда (№ 20-72-10057).
