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

Представлена модель полупроводникового лазера с захватом частоты, осуществляемой при помощи обратной связи через кольцевой волоконный резонатор. Показано, что соответствующая конфигурация генератора обеспечивает стабилизацию узкополосной генерации лазера, исключающая перескоки мод кольцевого резонатора через временные промежутки более 10 с. С этой целью из стандартных волоконных компонентов, поддерживающих поляризацию, была спроектирована и изготовлена экспериментальная модель узкополосного одномодового волоконного лазера. В эксперименте впервые измерена скорость изменения частоты генерации. Установлено, что она зависит от внешних условий (температурные флуктуации, акустический шум и вибрации) и может составлять менее 1,5 МГц/мин. при помещении внешнего резонатора в изолированный бокс. Это делает разрабатываемый лазер пригодным для применения в когерентной рефлектометрии. При использовании малошумящих источников питания продемонстрирована возможность и намечены пути для дальнейшего улучшения характеристик лазера с использованием температурной стабилизации лазерной конфигурации. Экспериментально измерена зависимость полосы генерации лазера от уровня мощности сигнала, отраженного внешним кольцевым резонатором, что позволяет осуществлять контроль и управление полосой генерации через активную обратную связь с предельно малой частотой дискретизации, основанную на простых измерениях интенсивности. При перечисленных выше условиях был экспериментально реализован стационарный режим генерации узкополосного излучения, поддерживающийся в течение более 30 мин. Изучены схемы повышения коэффициента обратной связи при помощи EDFA (эрбиевого волоконного усилителя) и полупроводникового усилителя.Создана лазерная система ультракоротких импульсов (УКИ) на базе кольцевого волоконного лазера, работающего в режиме гармонической синхронизации мод. При основной частоте лазера в 84 МГц был получен режим генерации на 67-й гармонике (5,62 ГГц). Установлено, что существуют рабочие точки с возможностью перестройки лазера по гармонический частотам на заданных длинах волн. Длительность импульсов при этом варьировалась в диапазоне 0,8 - 1,8 пс. Установлено, что на высоких гармониках фазовый шум ухудшается в среднем на 25 - 30 дБ. Увеличение номера гармоники приводит к искажению частотной модуляции на высоких гармониках. На основе кольцевого резонатора с большой нормальной дисперсией предложена модель лазерного осциллятора - источника мощных импульсов. Уникальность предлагаемой модели состоит в том, что в качестве основного элемента используется конусный Yb-легированный световод с анизотропной структурой, обеспечивающей высокое двулучепреломление. Применение подобного световода позволило добиться устойчивой синхронизации мод, осуществляемой при помощи нелинейного вращения поляризации и генерации выходного импульса с энергией около 400 нДж. На основе теоретических соотношений проведено исследование генерации Бриллюэновского излучения в микрорезонаторах. Изучены нерезонансные эффекты, возникающие при несовпадении Бриллюэновского сдвига с межмодовым расстоянием микрорезонатора, причиной которых может являться целый ряд факторов, например, нелинейное смещение частоты. Показано, что, несмотря на возрастание порога генерации при смещении от резонанса, интенсивность бриллюэновского сигнала при оптимальной отстройке накачки от соответствующей моды микрорезонатора может быть даже выше, чем в резонансном случае. Важным следствием повышения порога генерации является также сужение диапазона генерации бриллюэновского сигнала в нерезонансном случае. При оптимальном выборе отстройки накачки это приводит к значительному снижению уровня шумов сигнала. Полученные аналитические результаты сравниваются с данными численного моделирования.