Визначено універсальні залежності параметрів генерації волоконних лазерів.

Стаття опублікована у журналі Optics and Laser Technology. Ербівий лазер — твердотільний лазер, активною середою якого можуть бути кристали або скла, леговані іонами ербію (Er³⁺). Ці лазери широко використовуються в медицині, телекомунікаціях, матеріалознавстві та промисловості. Класичні волоконні лазери характеризуються низьким рівнем легування активної середовища і великою довжиною резонатора. Такі лазерні резонатори формують широкий спектр випромінювання, що складається з великої кількості поздовжніх мод. Зменшення довжини резонатора призводить до спектрального звуження випромінювання лазера до випромінювання на одній моді. Окрім довжини резонатора, на характеристики випромінювання впливає концентрація іонів ербію в активній середовищі.

Ефективна мініатюризація ербівих волоконних лазерів є важливим завданням у сучасній оптиці. Одним із рішень є збільшення ступеня легування активної середовища лазера. Збільшення концентрації іонів ербію призводить до їх взаємодії, що, в свою чергу, змінює конфігурацію квантових рівнів середовища. Через це лазер починає випромінювати в імпульсному режимі.

Колектив фізиків з Інституту радіотехніки та електроніки імені В. А. Котельникова РАН і МФТИ разом з колегами виготовив два набори активних волокон, легованих ербієм: волокна з відносно високою концентрацією ербію в серцевині (≈ 0,03 відсотка) і з надзвичайно високою концентрацією ербію в серцевині (≈ 0,3 відсотка). Лазери з такими активними середовищами мають два пороги генерації: перший поріг характеризує початок генерації в імпульсному режимі, другий — перехід в режим безперервного випромінювання.

«Для розуміння формування імпульсів все ще не вистачало знань про загальні фундаментальні риси імпульсного режиму в залежності від керуючих величин. У даному дослідженні ми експериментально виявили таку залежність. Також продемонстрували степеневу поведінку параметрів системи (середньої потужності випромінювання, частоти та тривалості імпульсів) у широкому діапазоні значень інтенсивності накачки вище критичної точки. Наша група детально вивчила залежність параметрів і режимів роботи, а саме перехід від імпульсного режиму до режиму безперервної генерації, від довжини резонатора, ступеня легування та потужності накачки», — пояснив Олександр Смирнов, доцент МГУ імені М. В. Ломоносова, провідний науковий співробітник МФТИ.

Вчені отримали залежності тривалості та частоти лазерних імпульсів для різних довжин хвиль генерації (1539–1557 нм) та довжин резонаторів. У проведених експериментах вони показали універсальну залежність частоти, тривалості та амплітуди імпульсів від потужності випромінювання ербівих лазерів. Також фізики визначили критичні індекси для створених волоконних лазерів. Їх величини відрізняються від стандартних цілих і півцілих значень, що свідчить про нетривіальність отриманих залежностей. Однак значне різниця ступеня легування волокон, довжин лазерних резонаторів слабо впливає на відхилення критичних індексів.

«Ми досить тривалий час займаємося вивченням і розробкою ербівих волоконних лазерів. Раніше нами проводився порівняльний аналіз імпульсного режиму роботи ербівого лазера при накачуванні на довжинах хвиль 1490 нм і 976 нм. На перший погляд, резонансне збудження на довжині хвилі 1490 нм призводило до різкого збільшення частоти імпульсів і зменшення його тривалості в порівнянні з збудженням на довжині хвилі 976 нм.

Однак, враховуючи модель, представлену нами в роботі 2018 року, ми припустили: раз виникнення імпульсів обумовлено самим процесом генерації, то частота слідування і тривалість імпульсів повинні в першу чергу залежати від потужності генерації, а не від накачки, і набувати певного універсального характеру. Експериментальні дані цієї роботи повністю підтвердили це припущення. Ми показали, що частота і тривалість імпульсів визначаються потужністю випромінювання», — розповів Бутов Олег, заступник директора з науки ІРЕ імені В. А. Котельникова РАН, провідний науковий співробітник МФТИ.

Вчені планують продовжити роботу зі створення та вивчення властивостей лінійно поляризованих ербівих волоконних лазерів, які стабільно працюють в одномодовому режимі з максимально вузькою лінією генерації.

Робота виконана в колаборації вчених з Інституту радіотехніки та електроніки імені В. А. Котельникова РАН, МФТИ, ВШЕ, МГУ імені М. В. Ломоносова, Інституту загальної фізики імені Прохорова РАН, НДІ автоматики ім. Духова та Інституту теоретичної та прикладної електродинаміки РАН.

Робота підтримана грантом Російського наукового фонду.