Многосердцевинные световоды для мощных лазерных систем

Учёные из ИПФ РАН предложили новый перспективный метод многократного увеличения средней и пиковой мощности волоконных лазеров. Метод основан на использовании многосердцевинных волокон (МСВ) и реализации в них особого режима распространения излучения в виде противофазной супермоды. Волоконные лазеры благодаря надёжности, простоте обслуживания и хорошим массогабаритным характеристикам востребованы для многих научных и технологических приложений. Однако, средняя, а в особенности, пиковая мощность в импульсных волоконных лазерных системах ограничена нелинейными эффектами. Предельная мощность излучения в волокнах с одной сердцевиной ограничена самофокусировкой в материале световода. Проблема увеличения мощности и преодоления нелинейных ограничений является одной из важнейших в современной волоконной оптике.

В МСВ с близко расположенными сердцевинами свет распространяется в виде коллективного возбуждения всех сердцевин – так называемых супермод. Сотрудниками ИПФ РАН было впервые обнаружено, что противофазная супермода, в которой фазы поля в соседних сердцевинах отличаются на π, является устойчивой при высокой мощности излучения. Благодаря данному свойству мощность в каждой сердцевине может быть увеличена вплоть до порога разрушения, а суммарная мощность во всех сердцевинах может многократно превышать предельную для одной сердцевины. Когерентность излучения между сердцевинами сохраняется на всем протяжении волокна, что позволяет просуммировать выходное излучение в один мощный пучок с эффективностью, превышающей 90%, без использования сложных систем обратной связи.

В эксперименте было использовано МСВ с квадратной матрицей 5х5 сердцевин, разработанное совместно с коллегами из ИОФ РАН. В этом волокне впервые было продемонстрировано устойчивое распространение широкополосных импульсов с поперечной структурой в виде противофазной супермоды. С помощью аналитических методов и численного моделирования показана возможность достижения в подобном МСВ пиковой мощности на уровне нескольких десятков МВт.

Перспективы использования полученных результатов связаны не только с повышением мощности излучения волоконных лазерных систем, но и c управлением мощным излучением в МСВ: сжатием импульсов и формированием оптических солитонов, широкополосной перестройкой длины волны излучения.

Поперечное сечение разработанного 25-сердцевинного световода (слева), измеренные и рассчитанные распределения интенсивности и фазы противофазной супермоды (справа).

Коллектив авторов:
Андрианов А.В., Балакин А.А., Скобелев С.А., Анашкина Е.А., Калинин Н.А., Литвак А.Г. (ИПФ РАН);
Егорова О.Н., Семенов С.Л. (ИОФ РАН).

Результаты опубликованы в статьях:

  • Balakin A.A., Skobelev S.A., Andrianov A.V., Anashkina E.A., Litvak A.G. // Optics Letters, 46(2), 246 (2021).
  • Kalinin N.A., Anashkina E.A., Egorova O.N., Zhuravlev S.G., Semjonov S.L., Kim A.V., Litvak A.G., Andrianov A.V. // Photonics 8(8), 314 (2021).
  • Balakin A.A., Skobelev S.A., Litvak A.G. // EPL (Europhysics Letters), 132(5), 54001 (2021).
  • Skobelev S.A., Balakin A.A., Anashkina E.A., Andrianov A.V., Litvak, A.G. // Physical Review A, 104, 023522 (2021).
  • Anashkina E.A., Andrianov A.V. // Photonics, 8(4), p. 113 (2021).
  • Skobelev S.A., Balakin A.A., Anashkina E.A., Andrianov A.V., Litvak A.G. // Physical Review A, 104, 033518 (2021).
  • Andrianov A.V., Kalinin N.A., Anashkina E.A. // Laser Physics Letters, 18, 125104 (2021).