Модовая динамика и нелинейные эффекты при ВКР преобразовании многомодового пучка в градиентных волокнах

В последнее время многомодовые волокна привлекают большое внимание исследователей из-за возможности передавать существенно большие объёмы информации и световой мощности по множеству поперечных мод, поддерживаемых такими волокнами. Однако при высокой интенсивности большую роль в динамике распространения начинают играть нелинейные эффекты. Эффект неупругого вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) приводит к уменьшению энергии фотона (на энергию фонона), таким образом рассеянное излучение оказывается сдвинутым в длинноволновую область (для кварцевых волокон стоксов сдвиг составляет ~ 13 ГГц). Эффект ВКР используется при создании эффективных волоконных ВКР-усилителей и ВКР-лазеров, которые могут излучать практически на любой длине волны внутри окна прозрачности кварцевых волоконных световодов (от 1 до 2 мкм) при каскадном преобразовании излучения накачки в стоксово излучение первого и последующих порядков. Дополнительно к сдвигу частоты ВКР-преобразование в многомодовых волокнах может сопровождаться существенными изменениями временной и пространственной огибающих стоксова пучка, состоящей из поперечных мод, по сравнению с многомодовым пучком накачки. В частности, в волокнах с градиентным профилем показателя преломления генерируемый (или усиленный) стоксов пучок может иметь существенно лучшее качество, чем пучок накачки. Этот так называемый эффект рамановской чистки активно исследуется в последние годы в связи с возможностью реализации высокомощных ВКР-усилителей и ВКР-лазеров с прямой диодной накачкой, сопровождающийся увеличением яркости генерируемого пучка, причем практически на любой длине волны. Группы, участвующие в проекте, имеют лидирующие позиции в этой области, продемонстрировав наибольший коэффициент увеличения яркости в схеме ВКР-лазера с градиентным многомодовым волокном с генерацией излучения, близкого к одномодовому (Российская группа), и наибольшей выходной мощностью (на киловаттном уровне) в схеме многомодового градиентного волоконного ВКР- усилителя. В то же время в обеих схемах наблюдались необычная модовая динамика и нестабильности, отличающиеся от хорошо известной модовой нестабильности в обычных иттербиевых и эрбиевых волоконных лазерах. Главная цель данного проекта состоит в объединении усилий российской и китайской групп в решении актуальной задачи экспериментального и теоретического изучения динамики поперечных мод и развития нестабильностей, выявления их механизмов и роли различных нелинейных эффектов (эффекты ВКР, Керра, 4-волнового смешения) при ВКР преобразовании многомодовых пучков в пассивных волокнах с градиентным профилем показателя преломления в различных конфигурациях: усилитель, лазер с резонатором из волоконных брэгговских решеток (ВБР), лазер со случайным рэлеевским отражением, комбинация рэлеевского отражения и отражения от ВБР, а также гибридные иттербий-ВКР лазеры и усилители на основе активных градиентных волокон. В результате выполнения проекта будут разработаны новые экспериментальные и численные методы анализа многомодовых пучков, новые фундаментальные знания о преобразовании и модовой динамике пучков в многомодовых волокнах, а также продемонстрировано применение этих знаний для разработки базовых принципов и новых конфигураций ВКР лазеров и усилителей на основе многомодовых волокон, которые позволяют получить стабильные высокомощные пучки с высоким качеством на выходе.