ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА САМОЧИСТКИ В МНОГОМОДОВОМ ВОЛОКНЕ НА ВЫХОДЕ ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА С УВЕЛИЧИННЫМ ДИАМЕТРОМ МОДЫ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА САМОЧИСТКИ В МНОГОМОДОВОМ ВОЛОКНЕ НА ВЫХОДЕ ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА С УВЕЛИЧИННЫМ ДИАМЕТРОМ МОДЫ

1 12 Антропов А.А. *, Харенко Д.С. '

2

1 Институт Автоматики и Электрометрии СО РАН, г. Новосибирск Новосибирский национальный исследовательский государственный институт, г. Новосибирск * Е-mail:[email protected] DO110.24412/2308-6920-2023-6-198-199

Волоконные лазеры становятся все более популярными в различных областях применения благодаря их высокой эффективности, надёжности и компактным размерам. Однако при использовании обычных телекоммуникационных волокон возникает проблема с достижением высокой пиковой мощности как внутри лазерного резонатора, так и в схемах доставки излучения к объекту. Для преодоления этой проблемы используются как волокна с большой зоной основной моды (large mode area, LMA), так и многомодовые волокна с градиентным профилем показателя преломления, показавшие в последнее время наличие большого числа новых нелинейных эффектов, и в том числе, эффекта Керровской самочистки. Данный эффект имеет ряд преимуществ: излучение при распространении в данном режиме может очиститься от дисперсионно-индуцированных нелинейных оптических эффектов, уменьшение аберраций пространственного распределения интенсивности для реализации передачи информации из одномодового волокна в многомодовое [1], поддерживание высокого качества излучения при распространении с пиковыми мощностями на уровне 1-5 кВт [2].

Самочистка Керра, или просто самочистка, является нелинейным эффектом, в результате которого получается устойчивый колоколообразный пучок с диаметром, близком к диаметру фундаментальной моды. Этот эффект был экспериментально продемонстрирован с использованием различных оптических волокон для различных длин волн, включая использование многомодовых оптических волокон в схемах с объёмной оптикой. Например, в работе [2] было показано, что стандартные многомодовые волокна могут использоваться для манипулирования поперечным пучком мощных лазерных импульсов. Другие исследования, такие как [3,4], также показали возможность использования ультракоротких импульсов для возбуждения только одной моды в многомодовых волокнах. В этих работах особое внимание уделялось использованию многомодовых оптических волокон с градиентным профилем показателя преломления, что позволяет получать пространственно-чистый выходной луч, устойчивый к изгибу волокна. При этом стоит отметить, что в качестве возбуждающего лазера использовались мощные твердотельные лазеры, излучение которых фокусировалось на торец многомодового волокна элементами объёмной оптики. В настоящей работе исследуется возможность достижения эффекта самочистки при непосредственной сварке выходного волокна LMA-лазера с синхронизацией мод и многомодового волокна.

Для наблюдения эффекта нами был разработан и в последствии улучшен волоконный LMA лазер с использованием специализированного волокна Nufem LMA-YDF10/130-M [5]. Он используется в качестве задающего генератора для формирования излучения с которым будет проверятся эффект самочистки. На Рис. 1 представлена схема полностью волоконного источника работающего в режиме диссипативных солитонов при центральной длине волны 1064 нм с частотой повторения ~ 27 МГц. Длительность генерируемых импульсов оценивается порядка 12 пс, Pпик ~ 1 кВт, а энергия в импульсе ~ 11 нДж.

<")Г,Ч.ЕЛИТ1ЯТСЛЬ f] Л КАЧКИ

Рис. 1. Схема установки: КП - контроллер поляризации, ФЛ - фильтр Лио, ММ - многомодовый(-ое), ЛД - лазерный диод, ПДП - поляризационный делитель пучка

Для проверки эффекта самочистки к одному из выходов задающего генератора приваривалось многомодовое волокно с различным диаметром сердцевины (50 и 62,5 мкм). Далее излучение подавалось на CCD камеру измерителя пучка (M2MS) производства Thorlabs. Измерения формы пучка проводились для двух режимов работы лазера: непрерывный (с низкой пиковой мощностью), при таком режиме наблюдалась неравномерность в строении пучка, было несколько пиков, а форма была далека от гауссовой, что показано на Рис. 2А. После изменяя ток диода накачки и переводя задающий генератор в режим в котором возможна синхронизации мод (высокая пиковая мощность > 1 кВт) и в котором возникает устойчивая генерация диссипативных солитонов (P^x ~300 мВт) наблюдался эффект самочистки который представлен на Рис. 2Б. Данный эффект наблюдался для волокон с разным диаметром сердцевины. В дальнейшем планируется добавить в резонатор участок многомодового волокна и проверить возможность возникновения режима синхронизации мод в таком варианте.

А Б

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

X, тт X, тт

Рис. 2. Поле пучка при токе диода 5.4А (А) и при токе 7.6А (Б)

В результате работы показано, что данный эксперимент показал, что приварив ММ волокно к выходу резонатора будет наблюдаться эффект самочистки, который положительно влияет на форму пучка распространяющегося излучения. Этот эффект является многообещающей технологией для улучшения эффективности лазерных резонаторов, в том числе выполненных из многомодового оптического волокна. Экспериментально продемонстрировано, что происходит самоочищение луча в многомодовом оптическом волокне, а сама технология потенциально способна привнести новые типы гибридных резонаторов в области волоконных задающих генераторов, с высокой выходной мощностью и открыть новые возможности для различных применений. Работа выполнена при поддержке проекта РНФ (Проект 21-72-30024).

Литература

1. Leventoux Y. et al. arXivpreprint, 1810.05878. (2018)

2. Krupa, K., et al. Nature Photon Т. 11, р. 237-241 (2017)

3. Fermann M. E, Opt. Lett. Т. 23, р. 52-54 (1998)

4. Chuansheng Dai, et al, Optik, T. 243, (2021)

5. Kharenko D. S., et al, Laser Phys. Lett., T. 13, #2, p. 025107 (2016)