Многоканальные твердотельные лазерные системы с когерентным сложением пучков излучения

Одним из наиболее перспективных путей создания лазеров с высокой мощностью (как в среднем по времени, так и в пике импульсов) является когерентное сложение пучков многоканальных лазерных систем. Когерентное сложение излучения N усиливающих лазерных каналов позволяет увеличивать мощность в пучке с малой расходимостью пропорционально числу каналов (при этом приосевая интенсивность суммарного оптического пучка нарастает как N²). С использованием когерентного сложения в последние годы были построены твердотельные лазерные системы со средней по времени мощностью более 100 кВт в пучке высокого качества – наиболее мощные из существующих в мире твердотельных систем.

В результате исследований механизмов изменения показателя преломления лазерных кристаллов и стекол О. Л. Антиповым с сотрудниками был реализован новый метод когерентного сложения волоконных лазерных систем. В его основе лежит эффект изменения показателя преломления в алюмосиликатных или фосфоросиликатных световодах, активированных ионами Yb³⁺, Tm³⁺, Nd³⁺ (используются в качестве активной среды волоконных лазеров) под действием резонансной волны накачки или насыщения (снимающей инверсную населенность). Реализовано когерентное сложение излучения двух эрбиевых волоконных усилительных каналов, в которых функцию управляемого элемента выполняло дополнительное лазерное волокно, активированное ионами Yb³⁺. Управление показателем преломления иттербиевого волокна осуществлялось излучением накачивающего сигнала (на длине волны 980 нм) и сигнала насыщения (на длине волны 1064 нм). Использование алгоритма амплитудной модуляции управляющего сигнала и синхронного детектирования в цепи обратной связи обеспечивало высокое быстродействие, что позволило компенсировать шумы в полосе более 10 кГц и привело к когерентному сложению излучения двух волоконных усилителей с эффективностью примерно 95%. Предложенный метод резонансно-оптического управления обеспечивает более низкий уровень шума и большее быстродействие (по сравнению с методом механических деформаций волокна), а в отличие от электрооптического управления позволяет создавать полностью волоконную лазерную систему.

Другой метод когерентного сложения, изучаемый в ИПФ, связан с использованием электрооптической модуляции показателя преломления кристалла LiNbO₃, обладающего рекордной электрооптической восприимчивостью. Высокое быстродействие электрооптических модуляторов волноводного типа, согласованных с волоконно-лазерной системой, позволяет отслеживать очень быстрые изменения оптического пути мощных лазерных пучков и в итоге компенсировать широкополосные шумовые искажения.

ИПФ РАН совместно с Институтом оптики атмосферы СО РАН проводит моделирование распространения мощного излучения многоканальной лазерной системы в атмосфере. Выяснилось, что использование техники когерентного сложения способно обеспечить фокусировку интенсивного лазерного излучения на удаленной мишени даже в условиях сильных атмосферных искажений пучка.

Сотрудники ИПФ участвуют в международной программе ICAN (International Coherent Amplification Network), направленной на создание уникальной лазерной системы с высокой средней и пиковой мощностью. С использованием техники когерентного сложения излучения многоканальной лазерной системы, включающей волоконные и твердотельные усилители, в рамках программы ICAN предполагается достигнуть оптической мощности мегаваттного уровня (в среднем по времени) в пучках высокого качества. Такая лазерная система, по параметрам излучения намного превосходящая все существующие в мире, предназначена для ускорения элементарных частиц и достижения их рекордных энергий в коллайдерах нового поколения.