Установлены общие зависимости параметров для генерации волоконных лазеров.

Статья опубликована в журнале Optics and Laser Technology. Эрбиевый лазер — это твердотельный лазер, активной средой которого могут служить как кристаллы, так и стекла, легированные ионами эрбия (Er³⁺). Эти лазеры находят широкое применение в медицине, телекоммуникациях, материаловедении и в промышленности. Классические волоконные лазеры имеют низкий уровень легирования активной среды и значительную длину резонатора. Такие лазерные резонаторы создают широкий спектр излучения, состоящий из множества продольных мод. Сокращение длины резонатора приводит к спектральному сужению излучения лазера до уровня излучения на одной моде. Кроме длины резонатора, на характеристики излучения также влияет концентрация ионов эрбия в активной среде.

Эффективная миниатюризация эрбиевых волоконных лазеров представляет собой ключевую задачу в современной оптике. Одно из возможных решений заключается в увеличении степени легирования активной среды лазера. Повышение концентрации ионов эрбия вызывает их взаимодействие, что, в свою очередь, изменяет конфигурацию квантовых уровней среды. В результате этого лазер начинает работать в импульсном режиме.

Группа физиков из Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН и МФТИ совместно с коллегами создала два набора активных волокон, легированных эрбием: волокна с относительно высокой концентрацией эрбия в сердцевине (≈ 0,03 процента) и с крайне высокой концентрацией (≈ 0,3 процента). Лазеры с такими активными средами демонстрируют два порога генерации: первый порог указывает на начало генерации в импульсном режиме, а второй — на переход в режим непрерывного излучения.

«Для понимания формирования импульсов до сих пор не хватало знаний о общих фундаментальных свойствах импульсного режима в зависимости от управляющих параметров. В данном исследовании мы экспериментально выявили такую зависимость. Мы также продемонстрировали степенное поведение параметров системы (средней мощности излучения, частоты и длительности импульсов) в широком диапазоне значений интенсивности накачки выше критической точки. Наша группа детально изучила зависимость параметров и режимов работы, включая переход от импульсного режима к режиму непрерывной генерации, а также влияние длины резонатора, степени легирования и мощности накачки», — пояснил Александр Смирнов, доцент МГУ имени М. В. Ломоносова и 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 продемонстрировали универсальную зависимость частоты, длительности и амплитуды импульсов от мощности излучения эрбиевых лазеров. Кроме того, физики определили критические индексы для созданных волоконных лазеров. Эти значения отличаются от стандартных целых и полуцелых значений, что свидетельствует о нетривиальности полученных зависимостей. Однако значительное различие в степени легирования волокон и длинах лазерных резонаторов слабо влияет на отклонение критических индексов.

«Мы достаточно долго занимаемся исследованием и разработкой эрбиевых волоконных лазеров. Ранее мы провели 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 сокращению их длительности по сравнению с возбуждением на длине волны 976 нм.

Тем не менее, учитывая модель, представленную нами в работе 2018 года, мы предположили: поскольку возникновение импульсов обусловлено самим процессом генерации, частота и длительность импульсов должны в первую очередь зависеть от мощности генерации, а не от накачки, приобретая тем самым некий универсальный характер. Экспериментальные данные этой работы полностью подтвердили это предположение. Мы продемонстрировали, что частота и длительность импульсов определяются мощностью излучения», — рассказал Бутов Олег, заместитель директора по науке ИРЭ имени В. А. Котельникова РАН и ведущий научный сотрудник МФТИ.

Ученые намерены продолжить исследования по созданию и изучению свойств линейно поляризованных эрбиевых волоконных лазеров, надежно работающих в одномодовом режиме с предельно узкой линией генерации.

Работа выполнена в сотрудничестве ученых из Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН, МФТИ, ВШЭ, МГУ имени М. В. Ломоносова, Института общей физики имени Прохорова РАН, НИИ автоматики им. Духова и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН.

Работа поддержана грантом Российского научного фонда.