Новый прорыв! Сверхбыстрый импульсный волоконный лазер, способный переключаться между 84 модами оптического поля 

Новый прорыв! Сверхбыстрый импульсный волоконный лазер, способный переключаться между 84 модами оптического поля

Недавно команда исследователей из Школы физики Хэфэйского технологического университета (HFUT), занимающаяся интеллектуальными оптоэлектронными устройствами и системами, совместно с центром CAN при Мельбурнском королевском технологическом университете (RMIT, Австралия) добилась значительного успеха в области исследований сверхбыстрых волоконных лазеров, способных переключаться между модами структурированного оптического поля. Ученые предложили и экспериментально продемонстрировали перестраиваемый сверхбыстрый волоконный лазер, работа которого основана на принципе внутрирезонаторного синергетического управления пространственно-временными характеристиками излучения. Данная система генерирует сверхбыстрые лазерные импульсы и позволяет по требованию переключаться между 84 различными модами оптического поля, включая моды Лагерра-Гаусса (LG), моды с орбитальным угловым моментом (OAM) и моды Эрмита-Гаусса (HG). Результаты исследования были опубликованы в авторитетном международном журнале *Laser & Photonics Reviews* в статье под названием «Внутрирезонаторные сверхбыстрые волоконные лазеры с перестраиваемыми структурированными модами, формируемыми по требованию».

Понятие «структурированный свет» подразумевает точное управление амплитудой, фазой и поляризацией оптического поля для создания пучков с заданным пространственным распределением. Так, пучки Лагерра-Гаусса (LG) могут нести орбитальный угловой момент, а суперпозиционные моды LG лепестковой формы подходят для высокоточных измерений и сенсорики; в то же время пучки Эрмита-Гаусса (HG) демонстрируют высокую устойчивость к возмущениям при распространении в свободном пространстве. Сочетание таких структурированных пространственных мод с фемтосекундными импульсами открывает возможности для создания новых источников излучения, применимых в таких областях, как высокоразрешающая визуализация, оптическое манипулирование, лазерная микро- и нанообработка, а также оптическая связь с высокой пропускной способностью. Традиционно структурированные оптические поля формируются с помощью внешних компонентов для преобразования мод, однако интеграция таких систем и их энергоэффективность ограничены из-за необходимости введения дополнительных оптических путей. В свою очередь, высокоинтегрированные перестраиваемые цифровые лазеры, как правило, работают в режиме непрерывного излучения. Это обусловлено тем, что для широкополосных фемтосекундных импульсов введение в лазерный резонатор устройств пространственной модуляции фазы вызывает значительную модовую дисперсию, что затрудняет одновременное выполнение условий синхронизации мод (модовой блокировки) для различных мод высших порядков. Кроме того, в волоконных лазерах гибкость и практичность устройств ограничиваются характером связи между структурированными модами высших порядков и самим волокном. Для решения этих проблем исследовательская группа интегрировала пространственный модулятор света (SLM) и поляризационный светоделитель (PBS) в резонатор волоконного лазера, легированного ионами эрбия. Сочетая эту конфигурацию с механизмом синхронизации мод на основе нелинейного вращения поляризации, исследователи добились одновременного управления пространственными модами лазера и временными характеристиками импульсов. Использование пространственного модулятора света (SLM) с цифровым фазовым картированием и кодированием типа «суперпиксель» позволяет системе одновременно модулировать локальную амплитуду и фазу. Поляризационный светоделитель (PBS) использует свойство поляризационной селективности для вывода модулированного структурированного излучения в виде лазерного пучка, одновременно возвращая немодулированную основную моду в одномодовое волокно для поддержания лазерной генерации. Такая конструкция позволяет избежать трудностей, связанных с вводом структурированного излучения в волокно, и ослабить дисперсионные эффекты, возникающие при пространственной модуляции широкополосных фемтосекундных пучков.

Экспериментальные результаты показывают, что лазер способен генерировать сверхбыстрые импульсы в 84 различных модах, что примерно на порядок превышает показатели традиционных волоконных лазеров со структурированным излучением. В частности, топологический заряд мод с орбитальным угловым моментом (OAM) может переключаться в диапазоне от -10 до +10; моды Лагерра-Гаусса (LG) лепесткового типа демонстрируют разнообразные радиальные и угловые распределения; а порядки мод Эрмита-Гаусса (HG) регулируются вплоть до шестого порядка. Выходные импульсы имеют длительность около 800 фс, частоту следования 9,09 МГц и отношение сигнал/шум (SNR) радиочастотного (РЧ) сигнала около 40 дБ. При максимальной мощности накачки 878 мВт средняя выходная мощность для типичных OAM-мод достигает 18,44 мВт, а расчетная максимальная энергия одиночного импульса составляет 2,03 нДж. Исследовательская группа также провела численное моделирование эволюции импульса внутри резонатора на основе связанных уравнений Гинзбурга-Ландау, выявив механизмы обратной связи с участием поляризации и формирования режима синхронизации мод. При текущих параметрах резонатора система стабильно работает в режиме генерации импульсов шумоподобного типа (noise-like pulse), характеризующемся широкой огибающей, содержащей множество хаотически распределенных фемтосекундных субимпульсов. Результаты моделирования согласуются с экспериментально измеренными спектрами, последовательностями импульсов, РЧ-спектрами и кривыми автокорреляции, подтверждая, что лазер сохраняет стабильную генерацию сверхбыстрых импульсов при переключении между различными пространственными модами.

Рисунок 1 (a)(b) Схема перестраиваемого волоконного лазера сверхбыстрых импульсов со структурированным излучением; (c)(d) Результаты моделирования и экспериментальные данные для структурированного излучения с лепестковой структурой.

В данном исследовании технология цифровой пространственной модуляции светового поля распространяется с цифровых лазеров непрерывного действия на сверхбыстрые волоконные лазеры. Это позволило создать внутрирезонаторный источник сверхбыстрого структурированного излучения, отличающийся возможностью переключения мод по требованию, большим набором доступных мод, компактностью конструкции и масштабируемостью. Благодаря широкому спектру и свойствам частичной временной когерентности импульсов шумоподобного типа, этот источник может служить задающим генератором для мощных лазерных систем типа MOPA (задающий генератор — усилитель мощности) и открывать новые направления исследований в области частично когерентного структурированного излучения, пространственно-временных оптических вихрей и адаптивных сверхбыстрых фотонных систем. Полученные результаты перспективны для применения в таких сферах, как лазерная микро- и нанообработка, передовые методы визуализации, оптическое манипулирование частицами, нелинейная оптика и оптическая связь с мультиплексированием по модам.

Работа была поддержана Национальной ключевой программой НИОКР Китая, Национальным фондом естественных наук Китая и Ключевой программой научно-технических инноваций провинции Аньхой. Первым автором статьи является Чэнь Кай, аспирант Школы физики Хэфэйского технологического университета. Доцент Фан Вэньтань и профессор Гао Вэйцин (Школа физики), а также профессор Цзя Баохуа (Мельбурнский королевский технологический университет, RMIT, Австралия) выступают в качестве соавторов, ответственных за переписку.