Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0057

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0057
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Название доклада
Неоднородные по длине волоконные и фотонно-кристаллические световоды с уникальными дисперсионными и нелинейными характеристиками для их использования в волоконных лазерных генераторах высокой мощности
Докладчик
Явтушенко Игорь Олегович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является создание научно-технических решений для разработки, изготовления и применения в волоконных лазерных системах неоднородных волоконных и фотонно-кристаллических световодов с изменяющимися по длине параметрами, включая активные световоды, легированные редкоземельными элементами.
Актуальность и новизна исследования
Современные технологии изготовления волоконных световодов позволяют добиваться низких потерь излучения фундаментальной моды, создавать профили показателя преломления различной формы для получения нужных характеристик световода (диаметр поля фундаментальной моды, число мод, волноводная дисперсия основной и высших мод, нелинейность).
Приложения волоконных и фотонно-кристаллических световодов с продольной и поперечной неоднородностью чрезвычайно широки: волоконные лазеры и усилители, волоконные датчики и зеркала, генераторы суперконтинуума и полностью волоконные компрессоры оптических импульсов и другие.
Сегодня предлагается большое количество разнообразных волоконных структур для управления оптическим излучением. Все они имеют свои преимущества и недостатки. Многие из них крайне затруднительно воспроизводить практически, особенно повторяемым образом. Поэтому актуальной является разработка такой структуры, которая наиболее подходила бы для выполнения поставленных задач и при этом была бы максимально технологична.
В рамках проекта предложены новые типы эффективных волоконных структур для их применения в лазерных системах высокой мощности, а также технологические решения для их изготовления:
- волоконные световоды с W-образным профилем показателя преломления и особым профилем изменения диаметра волокна;
- структурированное конусное волокно с диаметром сердцевины около 50 нм (такое волокно необходимо для концентрации мощности, что приведет к проявлению нелинейных эффектов при малых интегральных мощностях);
- многожильное конусное волокно с наноструктурой (может применяться в мощных волоконных лазерах для повышения их мощности и эффективности).
Описание исследования

Объектом исследования являются волоконные и микроструктурированные световоды с изменяющимися по длине параметрами (в частности, дисперсией групповых скоростей), а также динамика оптических ультракоротких импульсов в таких световодах. В проекте предполагается создание оригинальных элементов волоконной оптики и лазерной физики на основе исследуемых структур.

В последние годы значительно возросли роль и коммерческое значение оптических волокон в не связанных с телекоммуникациями сферах. Волоконные световоды нашли применение в технике, инженерии, науке -  от волоконных датчиков, зондов, гироскопов до лазеров, систем освещения, сварочных головок. Требования, предъявляемые к световодам, стимулировали разработку новой группы волокон, ориентированных на то или иное приложение — так называемых «специальных волокон», материал и структура которых подобраны таким образом, чтобы обеспечивать новые свойства и характеристики. Настоящий проект лежит как раз в русле этих исследований. В проекте не только разрабатываются новые типы световодов и технология их изготовления, но и предлагаются варианты их использования в цельноволоконных лазерных системах.

В последние годы одной из наиболее актуальных задач физики лазеров является создание полностью волоконных систем усиления импульсов пикосекундной длительности до больших энергий (более 100 нДж). В рабочем диапазоне Yb волоконных лазеров (с длиной волны 1 мкм) энергия импульса была постепенно увеличена до нескольких мкДж [i]. Это стало возможным благодаря использованию волокон с большой площадью моды [ii]. Для больших длин волн усиление до высоких энергий связано с преодолением ряда трудностей. Это, прежде всего, отсутствие эффективных легированных волокон с большой площадью моды и мощных источников накачки. В случае Er волокон выходные энергетические характеристики оказываются более чем на порядок ниже Yb волокон. Наибольшие значения энергии импульса для Er волоконных лазеров с длиной волны 1,56 мкм, полученные в настоящее время, приближаются к 10 нДж [iii]. Серьезной проблемой в получении гигантских импульсов с энергиями больше 1 мкДж является ограниченный спектральный интервал усиления, не обеспечивающий эффективного увеличения энергии импульсов с высокой скоростью частотной модуляции и, соответственно, широким (более 100 нм) спектром.

Очевидно, что задача разработки новых световодов, способных эффективно распространять сверхмощные импульсы, является актуальной.

Исследования, направленные на разработку и изготовление неоднородных волоконных и фотонно-кристаллических световодов с изменяющимися по длине параметрами, осуществлялось с применением следующих методов:

  • теоретические исследования динамики частотно-модулированных импульсов в световодах с изменяющимися по длине параметрами с учетом различных дисперсионных и нелинейных эффектов;
  • экспериментальные исследования активных и пассивных световодов, (численный эксперимент, измерение параметров реальных световодов, измерение параметров входных и выходных импульсов, оценка и интерпретация полученных результатов);
  • разработку новых структур световодов и лазерных комплексов на их основе.

 

[i] B. Ortaç, M. Baumgartl, J. Limpert, and A. Tünnermann «Approaching microjoule-level pulse energy with mode-locked femtosecond fiber lasers» Opt. Lett. 34 1585 (2009)

[ii] T. Eidam, J. Rothhardt, F. Stutzki, F. Jansen, S. Hädrich, H. Carstens, C. Jauregui, J. Limpert, and A. Tünnermann «Preferential gain photonic-crystal fiber for mode stabilization at high average powers» Opt. Express, 19 8656 (2011)

[iii] A. Cabasse, D. Gaponov, K. Ndao, A. Khadour, J.-L. Oudar and G. Martel «130-mW average power, 4.6-nJ pulse energy, 10.2 ps pulse duration from an Er3+ fiber oscillator passively mode locked by a resonant saturable absorber mirror» Opt. Lett., 36 2620 (2011) 

 

Результаты исследования

В результате исследований разработаны математические модели:

1)  компрессии частотно-модулированных импульсов в одномодовых ФКС с аномальной дисперсией групповых скоростей (ПФКАД);

2)  компрессии частотно-модулированных импульсов симиляритонного типа в неоднородных по длине световодах с аномальной дисперсией и повышенной   нелинейностью с учетом эффектов самообострения и запаздывания нелинейного отклика;

3)  полностью волоконных каскадных усилителей и компрессоров на длинах волн 1.56 мкм (для неоднородных по длине световодов с W-профилем);

4)  полностью волоконных каскадных усилителей и компрессоров на длинах волн 1.06 мкм (для фотонно-кристаллических световодов).

Каскадные схемы усиления и компрессии оптических импульсов являются на сегодня наиболее предпочтительными среди цельноволоконных схем, поскольку позволяют снизить негативное влияние нелинейных эффектов и получить более высокие (на порядок по сравнению с использованием одного усилителя/компрессора) показатели эффективности компрессии и усиления.

Проведены эксперименты по усилению и компрессии импульсов в различных световодах на длинах волн 1,06 и 1,56 мкм и получены результаты, превосходящие ожидаемые (по параметрам степени компрессии импульсов и выходной мощности импульсов). Выполнено сопоставление с модельными расчетами. 

Представлен волоконный иттербиевый усилитель с высоким значением выходной мощности, основанный на активном тейпированном волокне.

Разработаны рекомендации по возможности использования результатов исследований в реальном секторе экономики.

Отработан метод «предупреждения неоднородности профиля показателя преломления». Его суть состоит в двухэтапном изготовлении преформы для будущего световода и возможности доработки реального профиля показателя преломления до модельного на этом этапе путем "нахлопывания" дополнительных кварцевых труб и/или растяжения заготовки.

Практическая значимость исследования
Полученные световоды в дальнейшем будут использованы в волоконных лазерных комплексах и волоконно-оптических системах управления лазерным излучением. Результаты исследований могут быть использованы для разработки новых цельноволоконных лазерных генераторов, усилителей и компрессоров, а также для экспресс анализа параметров волоконных световодов с изменяющимися по длине параметрами (в волоконно-оптических линиях связи и при производстве и эксплуатации волоконных систем)