Разработка перспективных волоконных лазерных источников на основе исследований нелинейных эффектов в оптических резонаторах

Цель работы - описание физического механизма эффекта захвата частоты в кольцевом резонаторе, численное моделирование эффекта захвата частоты; описание и характеризация эффекта самоиндуцированной модуляционной неустойчивости в резонаторе волоконного лазера; экспериментальные исследования перестраиваемого импульсного волоконного лазера на основе акустооптического перестраиваемого фильтра с гармонической синхронизацией мод, теоретическое и численное исследование механизмов взаимодействия между импульсами, обеспечивающих гармоническую синхронизацию мод; разработка оригинальной модели волоконного лазера-усилителя симиляритонного типа, обеспечивающего генерацию частотно-модулированного импульса с шириной спектра, превышающей ширину линии усиления, разработка модели лазера-усилителя симиляритонного типа с элементом спектральной компрессии. Предложена усовершенствованная схема симиляритонного лазера-усилителя с шириной спектра выходного импульса, значительно превосходящей ширину линии усиления. Усовершенствование заключается во введении в резонатор дисперсионной линии задержки для локального повышения пиковой мощности импульса и представляет собой обращение известного метода «усиления чирпованных импульсов». Предлагаемая схема позволяет существенно увеличить ширину выходного спектра импульса и добиться снижения длительности выходного импульса после компрессии. В модели в качестве насыщающегося поглотителя предлагается использовать пару связанных симметричных волокон (или двухсердцевинное волокно). Моделирование показало, что насыщающийся поглотитель такого типа продемонстрировал способность поддерживать одноимпульсный режим генерации при более высокой энергии импульса по сравнению со стандартным насыщающим поглотителем. Предложена модель спектральной компрессии лазерного импульса с произвольной формой огибающей, которая за счет введения дополнительного волоконного элемента с гиперболически убывающей нормальной дисперсией позволяет приблизить огибающую к параболической форме и повысить качество спектральной компрессии до уровня, достижимого только при спектральном сжатии параболических симиляритонов. Описана модель волоконного лазера с внутрирезонаторным интерферометром - импульсного генератора, основанного на эффекте самоиндуцированной модуляционной неустойчивости, или с синхронизацией мод при помощи диссипативного четырехволнового смешивания (D-FWM). Показано, что лазер может генерировать импульсы в широком диапазоне частот следования, задаваемом свободным спектральным параметром интерферометра. При аномальной дисперсии резонатора энергия отдельного импульса последовательности невелика. Напротив, нормальная дисперсия резонатора при достаточном уровне накачки позволяет генерировать импульсы значительной энергии, причем при увеличении дисперсии и соответствующем повышении накачки энергия импульса может быть наращена. Эти импульсы имеют вид "темных солитонов" с линейной частотной модуляцией. Достаточно высокая пиковая мощность выходных импульсов позволяет использовать методы нелинейной компрессии на выходе импульсов из резонатора. Таким образом, показано, что лазеры этого типа являются крайне перспективными источниками высокочастотных последовательностей ультракоротких импульсов. Продемонстрирован импульсный субпикосекундный лазер на основе Tm-Ho активного волокна с гармонической синхронизацией мод, перестраиваемый в диапазоне от 1705 до 1805 нм. Наиболее короткие спектрально-ограниченные импульсы длительностью 630 фс были получены на длине волны 1735 нм. Лазер использует гибридную технологию синхронизации мод, включающую акустооптический перестраиваемый фильтр, обеспечивающий частотный сдвиг, и механизм нелинейного вращения поляризации (NPR). Кроме того, акустооптический фильтр допускает точную электронную подстройку длины волны генерации. Запланирована дальнейшая работа, направленная на улучшение выходных параметров лазера. В экспериментах на данный момент зафиксирована частота повторения в диапазоне от 232,6 до 4446,8 МГц, что соответствует 8 - 152-й гармонике резонатора. В следующих экспериментальных сериях планируется достичь частоты повторения более 10 ГГц за счет оптимизации параметров резонатора и повышения накачки.