Этап 2. Промежуточный отчет по проекту "Разработка физических основ короткоимпульсных волоконных источников излучения с резонаторами на основе новых топологий"

Выполнены экспериментальные и теоретические исследования свойств лазерной генерации и выходного излучения короткоимпульсных волоконных источников излучения с резонаторами различных топологий, в которых реализовано управление внутрирезонаторным излучением следующими методами: с помощью нелинейного усиливающего петлевого отражателя с двумя активными средами, с использованием полупроводниковой активной среды с синхронной накачкой, с применением технологии ультрадлинных резонаторов с локальной минимизацией нелинейности и дисперсии среды резонатора. Исследование свойств искусственного насыщающегося поглотителя на основе нелинейного усиливающего петлевого отражателя с двумя независимо накачиваемыми активными средами выявило уникальные возможности по управлению максимальной мощностью насыщения данного поглотителя, позволяющие достичь в волоконных лазерах с использованием поглотителя этого типа рекордно высоких энергий импульсов непосредственно на выходе лазера без применения дополнительных каскадов усиления. Исследование свойств лазерной генерации гибридного лазера, в котором полупроводниковый оптический усилитель используется в качестве активной среды волоконного лазера с синхронизацией мод излучения, позволило определить качественно другие возможности управления параметрами лазерной генерации. Показано, что при синхронизации мод с помощью электрической синхронной накачки возможно профилирование генерируемых лазерных импульсов с помощью соответствующего профилирования управляющих электрических импульсов, что является новым подходом к генерации лазерных импульсов заданной формы. Исследование подхода, основанного на технологии ультрадлинных резонаторов с локальной минимизацией нелинейности и дисперсии среды резонатора, проводилось теоретически с использованием численного моделирования на основе метода расщепления по физическим процессам для нелинейного уравнения Шрёдингера. Определены условия, при которых происходит переход от режима генерации когерентных импульсов к режиму генерации двухмасштабных (или шумоподобных) импульсов для резонаторов с длинами до 1 км. Показано, что минимизация одного из параметров (нелинейности либо дисперсии) приводит к генерации двухмасштабных импульсов при меньшей длине резонатора (до 100 м), в то время как минимизация обоих параметров (нелинейности и дисперсии) или её отсутствие ведёт к устойчивой генерации когерентных импульсов, характеризующихся относительно большой частотной модуляцией (“чирпом”) и относительно высокой энергии вплоть до длин резонаторов 1 км. Выявлена устойчивость генерации импульсов в ультрадлинном резонаторе при учёте в моделировании квантовых шумов, значительных потерь в удлиняющем волокне и флюктуаций интенсивности излучения накачки. Достигнута рекордно широкая область перестройки длины волны излучения короткоимпульсного волоконного эрбиевого лазера с резонатором на основе новой “каплеобразной” топологии. Особенностью этой топологии является уникальная комбинация наиболее простой схемы кольцевого волоконного лазера с дискретным спектрально-селективным отражателем. Реализована область перестройки длины волны фемтосекундных импульсов длительностью 503 - 940 фс в ультрашироком диапазоне от 1524 до 1602 нм. Важным преимуществом новой топологии резонатора является то, что перестройки длины волны во всей спектральной области производятся без срыва режима синхронизации мод и в режиме стабильной одноимпульсной (один импульс за обход резонатора) генерации. Впервые выполнен сравнительный анализ топологий резонаторов волоконных лазеров с синхронизацией мод излучения. Показано, что применение различных топологий и преимуществ волоконных технологий позволяет реализовать заданные комбинации дисперсионных, нелинейных, поляризационных и других свойств волоконных резонаторов, сложно реализуемых или нереализуемых методами традиционной дискретной лазерной оптики. Результаты позволяют рассматривать топологический инжиниринг волоконных лазеров с синхронизацией мод излучения в качестве новой быстроразвивающейся перспективной области исследований и разработок.