Разработка и исследование высокомощных волоконных импульсных лазеров на основе активных волокон с двойной оболочкой и с переменным диаметром сердцевины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Петров Андрей Борисович

• Петров Андрей Борисович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Петров Андрей Борисович

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Обзор научно-технической литературы

1.1 Оптические волокна в лазерах

1.2 Волокна с большой площадью моды

1.3 Активные волокна

1.4 Активные конические волокна с двойной оболочкой

1.4.1 Основные преимущества АКВДО волокон

1.5 Усилители на основе активных конических волокон

1.6 Сверхбыстрые лазеры

1.7 Сверхбыстрые лазеры на основе метода синхронизации мод

1.7.1 Активная синхронизация мод

1.7.2 Пассивная синхронизация мод

1.7.2.1 Эффект нелинейного вращения поляризации

1.7.2.2 Нелинейное усиливающее петлевое зеркало

1.7.2.3 Обратная связь со сдвигом по частоте

1.7.2.5 Полупроводниковые насыщающиеся поглотители

1.8 Лазерные диоды с модуляцией усиления

1.9 Выводы по главе

Глава 2. Высокомощный пикосекундный лазер инфракрасного диапазона

2.1 Разработка лабораторного стенда по накачке активного конического волокна и исследование параметров волокон

2.1.1 Измерение поглощения

2.1.2 Измерение мощности сигнала и оптического спектра

2.1.3 Измерение диаметра поля моды и профиля интенсивности

2.1.4 M2 параметр лазерного пучка

2.1.5 Коэффициент поляризационной экстинкции

2.2 Конструкция высокомощного лазера ИК диапазона

2.2.1 Задающий генератор

2.2.2 Волоконные предусилители и система деления частоты

2.3 Выходные параметры высокомощного лазера ИК диапазона

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Разработка высокомощной пикосекундной лазерной системы со сверхузкой спектральной линией

3.1 Высокомощный усилитель на основе РОС-лазера и конического волоконного усилителя

3.1.1 Задающий лазер

3.1.2 Волоконный предусилитель

3.1.3 Усилитель на основе активного конического волокна

3.2 Измерение выходных характеристик высокомощного усилителя с узкой линией

3.3 Выводы по главе

Глава 4. Разработка высокомощной пикосекундной лазерной системы зеленого диапазона

4.1 Генерация второй гармоники в нелинейном кристалле

4.2 Макет мощного волоконного лазера зеленого диапазона

4.3 Результаты измерений характеристик макета мощного волоконного лазера зеленого диапазона

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список использованных источников

Список работ автора

Приложение 1 Тексты публикаций

Благодарность

Автор благодарен научному руководителю и наставнику к.ф.-м.н. Одноблюдову Максиму Анатольевичу за возможность работы над интересными проектами в области сверхбыстрых волоконных лазеров и высокомощных усилителей, а также за доверие, оказанное на начальных этапах профессиональной деятельности.

Автор благодарит руководство Института перспективных систем передачи данных Университета ИТМО проф., д.ф.-м.н. Бугрова Владислава Евгеньевича и проф., д.ф.-м.н. Романова Алексея Евгеньевича. А также руководство Университета ИТМО во главе с ректором проф., д.т.н., Васильевым Владимиром Николаевичем.

Также благодарность коллективу НИЦ Световодной фотоники, где автор провел 6 лет обучения в бакалавриате и магистратуре, а также начал свою научно-исследовательскую деятельность в области волоконной оптики.

Благодарность всем коллегам, кто работал вместе с автором, особенно Козлякову Михаилу Сергеевичу, Крамнику Валерию Владимировичу, Миненок Лидии Федоровне, Чумаченко Андрею Владимировичу и к.т.н. Михайловскому Григорию Александровичу.

Также благодарность коллегам из Университета Тампере, с которыми велась совместная работа по исследованию и развитию технологии активных конических волокон, а именно доктору Филиппову Валерию Николаевичу и доктору Гуменюк Регине Витальевне. А также Йооне Риссанену и Теппо Норонену.

Наконец, благодарность матери Толкуновой Елене Владимировне и отцу Петрову Борису Анатольевичу.

Реферат

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование высокомощных волоконных импульсных лазеров на основе активных волокон с двойной оболочкой и с переменным диаметром сердцевины»

Актуальность работы

Развитие практически всех ключевых отраслей экономики, включая аэрокосмическую, автомобилестроительную, медицину, микроэлектронику и фотонику, основано на использовании новых функциональных материалов, таких как керамика, композиционные материалы, новые сплавы и др. При этом новые материалы требуют новых технологий их обработки, которые должны характеризоваться сверхвысокой точностью, высокой производительностью и одновременно низкой себестоимостью процесса. Этого можно достичь с помощью лазерных технологий обработки, основанных на использовании высокомощных пикосекундных лазеров, дающих высокое качество обработки практически любых современных материалов [1]. Еще одной тенденцией является использование пикосекундных лазеров для аддитивных технологий для повышения точности выращивания и расширения спектра материалов для реализации аддитивного процесса [2].

Накопленная в коротком лазерном импульсе энергия позволяет получать высокие пиковые мощности, создавая уникальные условия для исследования сверхбыстрых процессов и нелинейных эффектов, а также для обработки и изменения свойств материалов [3]. Такие короткие импульсы позволяют избежать нежелательных тепловых эффектов и позволяют обрабатывать различные материалы, которые практически невозможно обрабатывать с помощью лазеров непрерывной волны, такие как керамика, жаропрочные сплавы и прозрачные материалы [4].

В настоящее время большинство высокомощных пикосекундных лазерных систем, используемых в промышленности, основаны на объемных твердотельных лазерах [5]. Однако такие системы относительно дороги и велики, а также требуют регулярного обслуживания. Более того, существующие твердотельные пикосекундные лазеры зачастую имеют ограниченную среднюю выходную мощность и способны поддерживать

только низкие частоты повторения при сохранении высокой энергии импульса. Это ограничивает применение объемных твердотельных лазеров в тех областях, где требуется высокая скорость обработки деталей большой площади. Волоконные лазеры же предлагают долговечность, высокую эффективность, компактность и относительно небольшую цену. В связи с этим в промышленности существует большой спрос на мощные пикосекундные волоконные лазеры с выходной мощностью, сопоставимой с объемными твердотельными лазерами, которые позволяют работать в широком диапазоне частот повторения.

Однако эффективность прямого усиления пикосекундных волоконных лазеров все еще ограничена из-за сильных нелинейных эффектов [6], возникающих при недостаточно большой модовой площади активных волокон, поддерживающих одномодовый режим даже при микроджоульном уровне энергии пикосекундного импульса. Этот факт ограничивает достижимую пиковую мощность ниже уровня мегаватт, необходимого для реализации процесса абляции в широком диапазоне материалов.

Наиболее распространенным подходом к увеличению пиковой мощности и энергии импульса при использовании волоконных усилителей является усиление чирпированных импульсов (УЧИ) [7]. Такой подход позволяет получить от нескольких десятков до сотен мегаватт пиковой мощности. Однако технология УЧИ приводит к усложнению конструкции и значительному удорожанию системы, что делает ее целесообразной только для реализации в фемтосекундных волоконных лазерах. Следовательно, существует практическая потребность в разработке экономичной простой в использовании технологии волоконного усилителя для создания компактной пикосекундной лазерной системы, способной обеспечить пиковую мощность в масштабе мегаватт, энергию импульса в несколько десятков микроджоулей и среднюю мощность более 100 Вт в результат прямого усиления сигнала малой мощности без использования метода УЧИ.

Компактная лазерная система с прямым усилением пикосекундных импульсов может быть реализована с использованием активных конических волокон с двойной оболочкой (АКВДО) [8]. Коническое волокно - это волокно с продольным геометрическим профилем, которое позволяет поддерживать распространение основной моды от узкой части к широкой части волокна. Такие волокна имеют несколько преимуществ: повышенное поглощение накачки из-за эффективного смешивания мод и возможность использования многомодового источника низкой яркости и высокой мощности в качестве накачки.

Развитие технологий обработки пикосекундных лазерами также привело к необходимости использования коротковолновой части спектра, например, зеленой (520-535 нм), дополнительно к традиционной ближней инфракрасной области (1 мкм). Это позволяет довести точность обработки с использованием пикосекундных лазеров до субмикронного уровня и расширить спектр обрабатываемых материалов [9]. Такая лазерная система также может бы реализована с помощью усилителя на основе активного конического волокна с двойной оболочкой.

Целью настоящей работы является разработка и исследование высокомощных волоконных пикосекундных лазерных систем на основе активных волокон с двойной оболочкой и переменным диаметром сердцевины.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:

1. Проведены исследования параметров и свойств активных конических волокон, легированных иттербием, с двойной оболочкой и сохранением поляризации;

2. Определены параметры распространения накачки и процессов усиления в активном коническом волокне с двойной оболочкой;

3. Разработана конструкция высокомощного импульсного волоконного усилителя на основе активного конического волокна;

4. Проведены исследования нелинейных оптических эффектов в пикосекундном волоконном усилителе на основе активных конических волокон;

5. Проведены исследования эффективности генерация второй гармоники с использованием инфракрасного излучения высокомощного конического волоконного усилителя.

Научная новизна работы

1. Предложен подход к созданию высокомощной компактной пикосекундной лазерной системы инфракрасного диапазона, состоящей из волоконного задающего лазера с пассивной синхронизацией мод и усилителя на основе активного волокна, легированного иттербием, с двойной оболочкой и переменным диаметром сердцевины.

2. Впервые продемонстрирована пиковая мощность оптического излучения на длине волны 1064 нм более 1,2 МВт с помощью полностью волоконного усилителя на основе активного конического волокна с двойной оболочкой в результате прямого усиления пикосекундных импульсов без применения технологии усиления чирпированных импульсов.

3. Предложен подход к созданию лазерной системы на основе волоконного конического усилителя и задающего генератора на основе лазера с распределенной обратной связью, работающего в режиме модуляции усиления, позволяющий получить пиковую мощность более 1 МВт и энергию в импульсе более 60 мкДж при сохранении спектральной ширины менее 0,1 нм.

4. Проведено исследование условий эффективной генерации второй гармоники оптического излучения на длине волны 532 нм с помощью кристалла трибората лития при накачке его пикосекундными импульсами, усиленными в активных конических волокнах с двойной оболочкой и сохранением поляризации и достигнуто более 30 Вт средней

оптической мощности излучения с эффективностью преобразования во вторую гармонику более 53%.

Научная и практическая значимость работы

Практическая значимость работы состоит в том, что были разработаны лабораторные стенды по исследованию основных параметров активных конических волокон с двойной оболочкой, легированных иттербием. Разработан и реализован макет компактного высокомощного оптического усилителя на основе активного конического волокна с двойной оболочкой и сохранением поляризации благодаря применению разработанного мультиплексора на основе микрооптики для ввода излучения накачки от многомодовых полупроводниковых лазерных диодов. Разработана пикосекундная лазерная система на основе волоконного конического усилителя и задающего генератора на основе лазера с распределенной обратной связью, работающего в режиме модуляции усиления, позволяющая получить пиковую мощность оптического излучения более 1 МВт и энергию в импульсе более 60 мкДж при сохранении спектральной полуширины менее

0.1 нм, что может быть использовано для генерации второй и третьей гармоник, а также Рамановской спектроскопии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение в волоконных усилителях конического волокна с двойной оболочкой, легированного иттербием, с диаметром поля моды 35 мкм и диаметром укладки не более 30 см позволяет повысить порог возникновения нелинейных эффектов и получить максимальную пиковую мощность оптического излучения более 1,2 МВт с частотой следования импульсов 1 МГц, а также максимальную среднюю мощность оптического излучения 200 Вт с частотой 10 МГц, центральной длиной волны излучения 1040 нм и длительностью импульса 50 пс при

сохранении качества пучка близким к дифракционному пределу с параметром М2 менее 1,3.

2. Использование задающего генератора на основе полупроводникового лазерного диода с распределенной обратной связью, работающего в режиме модуляции усиления, с энергией импульсов 10 пДж и длительностью 50 пс на длине волны оптического излучения 1064 нм и активного конического волокна с двойной оболочкой, диаметром поля моды 35 мкм и вводом излучения накачки из волокна 200/220 мкм лазерного диодного модуля с длиной волны 976 нм через разработанный мультиплексор на основе микрооптики позволяет получить пиковую мощность оптического излучения не менее 1 МВт и энергию импульса не менее 60 мкДж с частотой следования импульсов 500 кГц и сохранении полуширины спектра излучения менее 0,1 нм.

3. Использование оптического усилителя на основе активного конического волокна с двойной оболочкой и сохранением поляризации оптического излучения с полушириной спектральной линии менее 100 пм на длине волны 1064 нм и длительностью импульса 50 пс при пиковой мощности до 1 МВт повышает эффективность генерации второй гармоники в нелинейном оптическом кристалле трибората лития и позволяет получить генерацию на длине волны излучения 532 нм со средней мощностью более 32 Вт с частотой следования импульсов 10 МГц и эффективностью преобразования до 53% с частотой 500 кГц без увеличения ширины спектральной линии.

Методы исследования

1. Проведение компьютерного моделирования ввода оптического излучения в коническое волокно с двойной оболочкой.

2. Проведение компьютерного моделирования в среде Matlab.

Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях:

• VII, VIII, IX, X Конгресс молодых ученых (2018, 2019, 2020, 2021);

• XLVII, XLVIII, XLIX Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2018, 2019, 2020);

• 19-я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (2017);

• 9-й Международный семинар по волоконным лазерам (2020);

• SPIE Photonics Europe - Strasbourg, France (2018);

• Laser Optics ICLO - St.Petersburg, Russia (2020);

• SPIE Photonics West, San Francisco, California, United States (2021);

• Conference on Lasers and Electro-Optics, San Jose, California, United States (2021).

Достоверность научных достижений

Достоверность подтверждается тщательностью и корректностью теоретических исследований, соответствием их экспериментальным данным, полученным в условиях физического моделирования. Эксперименты проводились на стендах, содержащих поверенную аппаратуру необходимого класса точности. Полученные результаты научной работы обсуждались на международных и всероссийских конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы

Разработанные волоконные усилители и лазеры на основе активного конического волокна используются следующими компаниями:

• ООО «Поларус»

• ООО «Оптосистемы»

• ООО «Нордлейз»

А также научными учреждениями:

• Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СЮ РАН)

• Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)

Полученные научные результаты были применены Университетом Тампере (Tampere University) в ходе реализации проекта «PULSE» (Grant Agreement Number: 824996, funded by the European Union's Horizon 2020 Researcher and Innovation Programme).

В настоящее время данные волоконные усилители проходят тестирование для внедрения в лазерные установки.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 5 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 4 публикации в иных изданиях.

Личный вклад автора

Все приведенные в работе расчёты и экспериментальные исследования выполнены лично автором либо при его определяющем участии.

Автор выражает благодарность коллегам из Института перспективных систем передачи данных Университета ИТМО.

Цели и задачи исследования сформулированы автором совместно с научным руководителем. Подготовка научных статей и докладов на конференциях проводилась совместно с соавторами. Написание текстов публикаций проводилось лично автором либо при его определяющем участии.

Структура и объем диссертации

Данная диссертационная работа состоит из введения, четырех основных глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной материал

изложен на 210 страницах, содержит 92 рисунка, 4 таблиц и список литературы из 140 источников. В приложении приведены тексты основных опубликованных статей.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования данной диссертационной работы. Также сформулированы научная новизна, научная и практическая значимость работы и приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проводится аналитический обзор научно-технической литературы.

Первая часть обзора посвящена сверхбыстрым лазерам и их применению. Благодаря высокой пиковой мощности такие лазеры используются при обработке материалов. Сверхбыстрая лазерная обработка имеет два основных преимущества по сравнению с непрерывным или наносекундным. Ультракороткие импульсы позволяют более точно и энергоэффективно воздействовать на материал с минимальной зоной термического влияния [10]. Также такие лазеры позволяют обрабатывать оптически прозрачные материалы [11], поскольку высокая интенсивность сфокусированного луча ультракоротких импульсов приводит к сильному нелинейному многофотонному поглощению вблизи перетяжки.

Во второй части обзора было отмечено, что большинство сверхбыстрых лазеров основано на конфигурации задающий генератор-усилитель мощности (MOPA), которая состоит из задающего генератора и нескольких каскадов усилителей. Обычно в таких лазерных системах в качестве задающего источника используется волоконный лазер с синхронизацией мод, а в качестве усилителя система на основе волокон с большой площадью моды (БПМ) [12]. Поэтому далее были рассмотрены методы создания волоконных лазеров, основанных на технике синхронизации мод [13]. Основное внимание было уделено пассивной синхронизации мод, которая может быть реализована с помощью нелинейного усиливающего петлевого зеркала, обратной связи со сдвигом по частоте, поглотителей из углеродных нанотрубок и полупроводниковых насыщающихся поглотителей. Было отмечено, что

наиболее распространенным подходом является именно последний вариант [14]. Далее были рассмотрены волокна с большой площадью моды. Существует несколько подходов создания таких волокон. Это волокна с низкой числовой апертурой и большим диаметром сердцевины, а также различные технологии микроструктурированных волокон [15]. Было отмечено, что общим недостатком таких волокон является очень сложная структура, высокая стоимость производства и несовместимость со стандартными волокнами.

В связи с этим далее особое внимание уделяется относительно новому типу волокон с большой площадью моды - активным коническим волокнам с двойной оболочкой, которые фактически лишены этих недостатков [8]. Было отмечено, что при плавном увеличении диаметра сердцевины коническое волокно фактически проявляет свойства одномодового световода, несмотря на то что диаметр сердцевины может многократно превышать диаметр одномодовой сердцевины. Такие волокна имеют несколько основных преимуществ: повышенное поглощение накачки благодаря эффективному смешиванию мод и возможность использования экономичных многомодовых источников с низкой яркостью в качестве накачки. При этом большой диаметр сильнолегированной сердцевины позволяет достигнуть высокой энергии импульса и пиковой мощности и одновременно увеличить пороги нелинейных эффектов в оптическом волокне.

Данный обзор научно-технической литературы позволил сформулировать задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты разработки и исследования высокомощного пикосекундного лазера инфракрасного диапазона с сохранением поляризации на основе активного конического волокна с двойной оболочкой. В первой части главы на основе проведенного моделирования ввода оптического излучения в активное коническое волокно

были разработаны и реализованы лабораторные стенды для исследования параметров АКВДО.

Во второй части главы была описана разработка и исследование параметров макета высокомощного волоконного пикосекундного лазера (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема экспериментального макета пикосекундного лазера.

Задающий генератор с сохранением поляризации состоял из четырех каскадов: волоконного лазера с синхронизацией мод на основе зеркала полупроводникового насыщающегося поглотителя (ЗПНП), акустооптического модулятора (АОМ) для изменения частоты следования импульсов в широком диапазоне и двух каскадов одномодовых волоконных предусилителей с накачкой в сердцевину. Задающий генератор имел длительность импульса 42 пс на длине волны 1040 нм и мощностью до 150 мВт на фундаментальной частоте 34 МГц.

Высокомощный усилитель состоял из активного конического волокна с двойной оболочкой и высокомощного мультиплексора на основе микрооптики. Поглощение сердцевины АКВДО на длине волны 976 нм составляло 900 дБ/м, а оболочки 25 дБ/м. Числовая апертура сердцевины и первой оболочки составляла 0,09 и 0,28, соответственно. Диаметр сердцевины с узкой стороны волокна составлял 10 мкм, а с широкой стороны 45 мкм при общей длине АКВДО 2,5 м. Высокомощный мультиплексор был разработан

для работы по схеме встречной накачки. Излучение от многомодового источника накачки с длиной волны 976 нм коллимировалось и направлялось под углом 90 градусов через дихроичный фильтр, а затем фокусировалось второй линзой на торец широкой части активного конического волокна. Фильтр при этом оставался прозрачным для усиленного сигнала с длиной волны излучения 1040 нм (рисунок 2). Разработанный мультиплексор в компактном корпусе с водяным охлаждением имел размеры 100*50x40 мм. АКВДО было уложено в алюминиевый корпус усилителя с водяным охлаждением в канавки, заполненные термопастой для эффективного отвода тепла, диаметром 30 см, что позволило добиться компактных размеров устройства.

Рисунок 2 - а) Схема компактного мультиплексора на основе микрооптики с указанием хода лучей, б) фото мультиплексора.

На рисунке 3 показана зависимость средней мощности на выходе лазерной системы от мощности накачки на частотах 34, 1 и 0,1 МГц. На фундаментальной частоте 34 МГц при максимальной мощности накачки 300 Вт выходная мощность усиленного сигнала составила более 200 Вт. Это соответствует дифференциальной эффективности 71% и коэффициенту усиления сигнала составил 35,7 дБ. На рисунке 3 также представлен спектр выходного оптического излучения на максимальной мощности 200 Вт.

а)

200-

г

X

о о

I

о

150-

100-

50-

и и

о , 3

0 6

1

10 20 и

Мощность накачки (976 нм), Вт

• 34 МГц ■ 1 МГц А 100 кГц

50

—1— 100

—I— 150

200

—I— 250

—I— 300

Мощность накачки (976 нм), Вт

б)

из Ч

-20-

-40

-60-

-80

1000

|-200 Вт (34 МГц) |

>

V

^— -'- -'-

1020 1040 1060

Длина волны, нм

1080

1100

Рисунок 3 - а) Зависимость выходной мощности усилителя от мощности накачки, б) спектр усиленного до 200 Вт сигнала на частоте 34 МГц.

Далее исследовались параметры распространения пучка (М2) на выходе усилителя. Безразмерный параметр М2 определяет то, насколько хорошо пучок может быть сфокусирован с данной угловой расходимостью. Измеренный с помощью автоматического измерительного комплекса Thorlabs М2М8-БС10б¥Ш параметр М2 составил 1,34 на мощности 200 Вт (рисунок 4).

Рисунок 4 - Результат измерения параметра М2 и профиль пучка при средней мощности 200 Вт (снято с помощью Thorlabs М2М8-БС10б¥18).

Также были исследованы оптические спектры при различных мощностях. При частоте 1 МГц и выходной мощности 70 Вт 86% мощности приходилось на полосу сигнала (рисунок 5), что эквивалентно энергии импульса 60 мкДж и пиковой мощности 1,17 МВт без присутствия пиков комбинационного рассеяния в спектре. Сигнал задающего лазера был усилен с 17 мВт до 70 Вт, что дает усиление сигнала 36,2 дБ.

1000 1020 1040 1060 1080 1100

Длина волны, нм

Рисунок 5 - Спектры на выходе усилителя на частоте 1 МГц.

Далее частота повторения импульсов была снижена до 100 кГц, что позволило еще больше увеличить пиковую мощность при одновременном снижении средней мощности, чтобы оставаться в пределах работы без влияния нелинейных эффектов (рисунок 6). Энергия импульса составила 65 мкДж, а пиковая мощность 1,26 МВт при средней выходной мощности 7,5 Вт. Это является рекордными значениями для волоконных усилителей с сохранением поляризации путем прямого усиления пикосекундного сигнала без использования технологии усиления чирпированных импульсов.

■20

1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140

Длина волны, нм

Рисунок 6 - Спектры на выходе усилителя на частоте 100 кГц.

В данной главе была продемонстрирована эффективная и компактная полностью волоконная мощная пикосекундная лазерная система с сохранением поляризации, основанная на активном коническом волокне с двойной оболочкой.

В третьей главе была предложена лазерная система, состоящей из лазера с распределенной обратной связью, работающего в режиме модуляции усиления, и высокомощного усилителя на основе активного конического волокна.

Схема инфракрасного пикосекундного лазера представлена на рисунке 7. Благодаря использованию активного конического волокна в качестве усиливающей среды и оптимизации предусилителя удалось создать схему с всего одним предусилительным каскадом.

Рисунок 7 - Схема высокомощного пикосекундного лазера на основе лазерного диода, предусилителя и высокомощного конического усилителя.

Для генерации пикосекундных импульсов от лазерного диода использовался компактный драйвер. Зависимости средней мощности от величины задающего напряжения и частоты следования импульсов представлена на рисунке 8. Средняя мощность практически линейно зависит от напряжения и частоты следования импульсов.

Частота, МГц Напряжение, В

Рисунок 8 - а) Зависимость средней мощности от частоты следования импульсов, б) зависимость средней мощности от величины задающего

напряжения.

В лазерной системе использовался только один предусилитель, в котором мощность от лазерного диода с 300 (10 МГц) и 15 (0,5 МГц) мкВт была усилена до 120 и 25 мВт соответственно. Этого уровня выходной мощности было уже достаточно для дальнейшего усиления в высокомощном

усилителе на основе конического волокна, так он допускает входной сигнал всего в несколько десятков милливатт.

Благодаря использованию лазерного диода с распределенной обратной связью в качестве задающего генератора стало возможным изменять частоту следования импульсов без использования дорогостоящих активных модуляторов. На рисунке 9 (а) показана зависимость средней выходной мощности на длине волны 1064 нм от мощности накачки 976 нм. Эффективность для 10 МГц и 0,5 МГц была аналогичной и составляла около 70%. Максимальная выходная мощность усилителя составляла 150 Вт на частоте 10 МГц. На частоте 0,5 МГц максимальная мощность 30 Вт была ограничена растущей частью спонтанной эмиссии в сигнале. На рисунке 9 (б) представлена зависимость пиковой мощности на выходе усилителя от мощности накачки.

б)

а)

80

О 60

40

ж 20

ч:

о

—•— —■— 0,5 МГц

10 МГц ■

Л

.х ж .....*

20 40 60 80 100 120 Мощность накачки (976 нм), Вт

Ой 1,2

8 1.0 -О

с

с 0,8

со 0,6

-О н

о

О 0,4

X

3"

■§ 0,2

0,0

0.5 МГц 10 МГц

25 50 75 100 125

Мощность накачки (976 нм), Вт

Рисунок 9 - Зависимость а) средней мощности и б) пиковой мощности

от мощности накачки.

Расширение спектра является типичным ограничивающим фактором для масштабирования мощности таких лазерных систем. При увеличении выходной мощности на частоте 10 МГц наблюдалось небольшое уширение спектра от 76 пм до 124 пм (рисунок 10(а)). Это уширение связано с увеличением интенсивности боковых пиков. При этом до мощности 80 Вт ширина спектра оставалась на уровне ниже 100 пм. Расширение спектра на

частоте 10 МГц является результатом усиления зашумленных импульсов: импульсы лазерного диода, работающего в режиме модуляции усиления демонстрируют флуктуации фазы, времени и амплитуды. Уровень мощности задающего генератора на выходе конического усилителя на частоте 10 МГц довольно высок, что приводит к эффективному усилению зашумленных импульсов и соответствующему спектральному уширению из-за нелинейных эффектов, таких как фазовая самомодуляция (ФСМ), перекрестная фазовая модуляция (ПФМ) и четырехволновое смешивание (ЧВС).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петров Андрей Борисович, 2021 год

Список использованных источников

1. Muhammad N. et al. Picosecond laser micromachining of nitinol and platinum-iridium alloy for coronary stent applications //Applied Physics A. - 2012. - Т. 106. - №. 3. - С. 607-617.

2. Oosterhuis G. et al. Additive interconnect fabrication by picosecond laser induced forward transfer //2010 IEEE International 3D Systems Integration Conference (3DIC). - IEEE, 2010. - С. 1-5.

3. Sugioka K., Cheng Y. Ultrafast lasers—reliable tools for advanced materials processing //Light: Science & Applications. - 2014. - Т. 3. - №. 4. - С. e149-e149.

4. Itoh K. et al. Ultrafast processes for bulk modification of transparent materials //MRS bulletin. - 2006. - Т. 31. - №. 8. - С. 620-625.

5. Keller U. Ultrafast solid-state laser oscillators: a success story for the last 20 years with no end in sight //Applied Physics B. - 2010. - Т. 100. - №. 1. - С. 15-28.

6. Dawson J. W. et al. Large flattened-mode optical fiber for reduction of nonlinear effects in optical fiber lasers //Fiber Lasers: Technology, Systems, and Applications. - International Society for Optics and Photonics, 2004. - Т. 5335. - С. 132-139.

7. Perry M. D., Mourou G. Terawatt to petawatt subpicosecond lasers //Science. -1994. - Т. 264. - №. 5161. - С. 917-924.

8. Kerttula J. et al. Principles and performance of tapered fiber lasers: from uniform to flared geometry //Applied Optics. - 2012. - Т. 51. - №. 29. - С. 7025-7038.

9. De Bono P. et al. Laser processing of thin copper and aluminium thin sheets with green (532nm) and infrared (1064nm) pulsed laser beam sources //International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics. - Laser Institute of America, 2013. - Т. 2013. - №. 1. - С. 520-528.

10. Hamad A. H. Effects of different laser pulse regimes (nanosecond, picosecond and femtosecond) on the ablation of materials for production of nanoparticles in

liquid solution. - IntechOpen, 2016. - C. 305-325.

11. He F. et al. Femtosecond laser fabrication of monolithically integrated microfluidic sensors in glass //Sensors. - 2014. - T. 14. - №. 10. - C. 1940219440.

12. Broderick N. G. R. et al. Large mode area fibers for high power applications //Optical Fiber Technology. - 1999. - T. 5. - №. 2. - C. 185-196.

13. Liu X. Hysteresis phenomena and multipulse formation of a dissipative system in a passively mode-locked fiber laser //Physical Review A. - 2010. - T. 81. -№. 2. - C. 023811.

14. Gomes L. A. et al. Picosecond SESAM-based ytterbium mode-locked fiber lasers //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 2004. - T. 10. - №. 1. - C. 129-136.

15. Fini J. M. Design of solid and microstructure fibers for suppression of higherorder modes //Optics Express. - 2005. - T. 13. - №. 9. - C. 3477-3490

16. Moses J., Malomed B. A., Wise F. W. Self-steepening of ultrashort optical pulses without self-phase-modulation //Physical Review A. - 2007. - T. 76. - №. 2. -C. 021802.

17. Boyd G. D., Kleinman D. A. Parametric interaction of focused Gaussian light beams //Journal of Applied Physics. - 1968. - T. 39. - №. 8. - C. 3597-3639.

Synopsis

General Description

Relevance

The development of almost all key economic sectors, such as aerospace, automotive industry, medicine, microelectronics, and photonics, is based on the use of new functional materials such as ceramics, composite materials, new alloys, etc. However, new materials require new technologies for their processing, which should be of ultra-high precision, high productivity, and at the same time have low production cost. This can be achieved with the help of laser processing technologies based on the use of high-power picosecond lasers, which provide high-quality processing of almost any modern material [1]. Another trend is the use of picosecond lasers for additive manufacturing to improve the growth accuracy and broaden the range of materials for the implementation of the additive process [2].

The energy accumulated in a short laser pulse makes it possible to obtain high peak power, which creates unique conditions for studying ultrafast processes and nonlinear effects, and also for processing and changing the properties of materials [3]. Such short pulses make it possible to avoid unwanted heat effects and allow the processing of various materials, such as ceramics, heat-resisting alloys, and transparent materials, that are almost impossible to process with continuous wave (CW) lasers [4].

Nowadays most of the high-power picosecond laser systems used in industry are based on solid-state lasers [5]. However, such systems are relatively expensive and large, and they also require regular maintenance. Moreover, existing solid-state picosecond lasers often have limited average power and are only able to maintain low repetition frequency while keeping high pulse energy. This limits the use of solid-state lasers in industries where high-speed processing of massive parts is required. On the contrary, fiber lasers offer durability, high efficiency, compact size, and relatively low price. Thus, there is a high demand in the industry for high-power picosecond fiber lasers with a similar to solid-state lasers power output, which allows operation in a wide range of pulse repetition frequencies.

However, the efficiency of direct amplification of picosecond fiber lasers is still limited due to strong nonlinear effects [6], arising when the mode area of active fibers is not large enough. Such effects maintain a single-mode regime even at a microjoule energy level of a picosecond pulse. This fact limits the achievable peak power below the megawatt level required to implement the ablation process in a wide range of materials.

The most common approach to increasing the peak power and pulse energy when using fiber amplifiers is chirped pulse amplification (CPA) [7]. This approach makes it possible to obtain from several tens to hundreds of megawatts of peak power. However, the CPA technology leads to a more complex design and a significant increase in the cost of the system, which makes it appropriate for implementation in femtosecond fiber lasers only. Therefore, there is a practical need to develop an economical, easy-to-use fiber amplifier technology to create a compact picosecond laser system capable of delivering peak power on a megawatt-scale, as well as pulse energy of several tens of microjoules, and average power of more than 100 W by directly amplifying a low power signal without using the CPA technique.

A compact laser system with direct amplification of picosecond pulses can be implemented using active tapered double-clad fiber (T-DCF) [8]. The tapered fiber is a fiber with a longitudinal geometric profile that allows maintaining the propagation of the fundamental mode from narrow to wide portions of the fiber. Such fibers have several advantages: increased pump absorption due to efficient mixing of modes, and the possibility of using a multimode source of low brightness and high power as a pump.

The development of picosecond laser processing technologies also led to the need to use the short-wavelength portion of the spectrum, for example, green (520535 nm), in addition to the traditional near-infrared region (1 ^m). This makes it possible to bring the processing accuracy using picosecond lasers to the submicron level and expand the range of materials to be processed [9]. Such a laser system could also be implemented using an amplifier based on the active tapered double-clad fiber.

This paper aims to develop and study high-power fiber picosecond laser

systems based on active tapered double-clad fibers.

The following tasks were completed to achieve the goal:

1. Research on the parameters and properties of both active tapered double-clad fibers and ytterbium-doped polarization maintaining ones has been conducted;

2. Parameters of pump propagation and amplification processes in the fiber were determined;

3. The design of a high-power pulsed fiber amplifier based on active tapered fibers has been developed;

4. Studies of nonlinear effects in a picosecond fiber amplifier based on active tapered fibers have been carried out;

5. Research has been carried out on the efficiency of second-harmonic generation using the tapered fiber amplifier beam.

Scientific novelty

1. A prototype of the compact picosecond infrared laser system consisting of a mode-locked fiber laser and an amplifier based on an active ytterbium-doped fiber with a double cladding and a variable core diameter has been first developed and implemented.

2. Peak optical power of more than 1.2 MW at a wavelength of 1064 nm was obtained using an all-fiber amplifier by amplifying picosecond pulses without chirped pulse amplification (CPA) technology.

3. A method for the development of a laser system based on a tapered fiber amplifier and a master oscillator based on a distributed feedback laser operating in the gain switching mode has been first implemented, which makes it possible to obtain a peak power of more than 1 MW and pulse energy of more than 60 ^J while maintaining a spectral width of less than 0.1 nm.

4. The use of polarization maintaining active tapered fibers for second-harmonic generation using a lithium triborate crystal was first investigated. Second-

harmonic generation efficiency of more than 53% and power at a wavelength of 532 nm of more than 32 W were obtained using an infrared source based on an active tapered fiber.

Practical significance

The practical significance of the work is that laboratory stands were developed to study the main parameters of active ytterbium doped tapered double-clad fibers. A prototype of a compact high-power optical amplifier based on an active tapered double-clad fiber with polarization maintaining has been developed and implemented due to the use of the developed multiplexer based on micro-optics for injection of pump radiation from multimode semiconductor laser diodes. A picosecond laser system based on a fiber tapered amplifier and a master oscillator based on a distributed feedback laser operating in the gain modulation mode has been developed, which makes it possible to obtain a peak optical power of more than 1 MW and a pulse energy of more than 60 ^J while maintaining a spectral half-width of less than 0.1 nm, which can be used for the generation of the second and third harmonics, as well as for Raman spectroscopy.

Defended research statements:

1. The use of ytterbium-doped tapered double-clad fiber in fiber amplifiers with a mode field diameter of 35 ^m and a stacking diameter of no more than 30 cm makes it possible to increase the threshold for the occurrence of nonlinear effects and obtain maximum optical peak power of more than 1.2 MW with a pulse repetition rate of 1 MHz, as well as maximum optical average power of 200 W with a frequency of 10 MHz, a central radiation wavelength of 1040 nm and the pulse duration of 50 ps while maintaining the beam quality close to the diffraction limit with the M2 parameter being less than 1.3.

2. The use of the master oscillator based on a semiconductor laser diode with distributed feedback operating in the gain switching mode, with a pulse energy of 10 pJ and a duration of 50 ps at an optical radiation wavelength of 1064 nm

and an active tapered double-clad fiber with a mode field diameter of 35 ^m and the input of pump radiation from a fiber 200/220 ^m of a laser diode module with a wavelength of 976 nm through a developed multiplexer based on micro-optics allows obtaining optical peak power of at least 1 MW and pulse energy of at least 60 ^J with a pulse repetition rate of 500 kHz and maintaining the half-width radiation spectrum less than 0.1 nm.

3. The use of an optical amplifier based on the polarization maintaining active tapered double-clad fiber with a spectral line half-width of less than 100 pm at a wavelength of 1064 nm and pulse duration of 50 ps at peak power of up to 1 MW increases the efficiency of second-harmonic generation in a nonlinear optical lithium triborate crystal and makes it possible to obtain oscillation at a radiation wavelength of 532 nm with an average power of more than 32 W with a pulse repetition frequency of 10 MHz and a conversion efficiency of up to 53% with a frequency of 500 kHz without increasing the spectral line width.

Research methodology and methods

1. Methods of computer simulation of the optical radiation input into a tapered double-clad fiber.

2. Computer modeling using the Matlab program.

Approbation

The results presented in the thesis were reported and discussed at the

following international and Russian scientific conferences:

• VII, VIII, IX, X Congress of Young Scientists (2018, 2019, 2020, 2021), Saint-Petersburg;

• XLVII, XLVIII, XLIX Scientific and Educational Conference of the ITMO University (2018, 2019, 2020), Saint-Petersburg;

• 19th Russian Youth Conference on Physics of Semiconductors and Nanostructures, Opto- and Nanoelectronics (2017), Saint-Petersburg;

• 9th International Workshop on Fiber Lasers (2020), Novosibirsk;

• SPIE Photonics Europe - Strasbourg (2018), France;

• Laser Optics ICLO - Saint-Petersburg (2020), Russia;

• SPIE Photonics West (2021), San Francisco, California, United States;

• Conference on Lasers and Electro-Optics (2021), San Jose, California, United States.

Reliability

The reliability is confirmed by the thoroughness and correctness of theoretical studies, their compliance with the experimental data obtained in the conditions of physical modeling. The experiments were carried out on certified measuring and testing equipment. The obtained results of scientific work were discussed at international scientific conferences and published in peer-reviewed scientific journals.

Personal contribution of the author

All the calculations presented in the work and experimental studies, were carried out personally by the candidate or with direct participation.

The goals and tasks of the research were formulated by the author together with the supervisor. The preparation of scientific articles and reports at conferences was carried out jointly with co-authors. Writing the texts of publications was carried out personally by the author or with his decisive participation.

Implementation of the research results

The developed T-DCF amplifiers and lasers are used by the following companies:

• ООО «Polarus»

• ООО «Optosystems»

• ООО «Nordlase»

As well as scientific institutions:

• Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (IA&E SB RAS)

• Federal Research Center Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

The obtained scientific results were applied by Tampere University during the implementation of the PULSE project (Grant Agreement Number: 824996, funded by the European Union's Horizon 2020 Researcher and Innovation Program).

In addition, the T-DCF amplifiers are currently being tested for implementation in laser setups.

Publications

The main results of the dissertation were published in 9 scientific articles, of which 5 indexed in the Scopus database.

Thesis structure

The thesis consists of an introduction, four chapters, a conclusion and a list of cited literature. The Thesis is presented on 210 pages, including 92 figures, 4 tables and a list of cited literature of 140 titles.

SUMMARY OF THE THESIS

In the introduction the relevance of the research topic is substantiated. The scientific novelty, practical significance and principal statements of the thesis are presented.

The first chapter provides an analytical review of scientific and technical literature.

The first part of the review is devoted to ultrafast lasers and their appliance. Due to their high peak power, such lasers are used in material processing. Ultrafast laser processing has two main advantages over continuous or nanosecond laser processing. Ultrashort pulses allow a more accurate and energy-efficient effect on the material, causing a minimum heat-affected zone [10]. Also, such lasers make it possible to process optically transparent materials [11], since the high intensity of a focused ultrashort pulse beam leads to strong nonlinear multiphoton absorption near the waist.

In the second part of the review, it was noted that most ultrafast lasers are based on a master oscillator power amplifier (MOPA) configuration, which consists of a master oscillator and several amplifier stages. Typically, in such laser systems, a mode-locked fiber laser is used as a master source, and a system based on large mode area fibers is used as an amplifier [12]. Therefore, methods of creating fiber lasers based on mode-locking were considered [13]. The main focus was on passive mode-locking, which can be achieved using a nonlinear amplifying loop mirror, frequency-shifted feedback, carbon nanotube absorbers, and semiconductor saturable absorbers. It was noted that the most common approach is precisely the latter option [14]. Further, fibers with a larger mode area were considered. There are several approaches to producing such fibers. These are fibers with a low numerical aperture and a large core diameter and also various technologies of microstructured optical fibers (MOF) [15]. It has been noted that a common disadvantage of such fibers is their very complex structure, high production cost, and incompatibility with standard fibers.

In this regard, further special attention is paid to a relatively new type of fibers with a large mode area - active tapered double-clad fibers, which lack these disadvantages [8]. It was noted that with a smooth increase in the core diameter, the tapered fiber exhibits the properties of a single-mode fiber, even though the core diameter can be many times larger than the single-mode core diameter. Such fibers have several main advantages: increased pump absorption due to efficient mode mixing and the possibility of using economical low-brightness multimode sources as a pump. At the same time, the large diameter of the highly doped core allows achieving high pulse energy and peak power and simultaneously increasing the thresholds of nonlinear effects in the optical fiber.

Based on the results of the literature review, the main tasks of the thesis were formulated.

The second chapter, presents the results of the development and research of a high-power picosecond polarization maintaining infrared laser based on an active double-clad tapered fiber (T-DCF). In the first part of the chapter, laboratory stands were developed and implemented to study the main parameters of T-DCF based on the simulation of the input of optical radiation into an active conical fiber.

In the second part of the chapter, the development and research of a highpower fiber picosecond laser prototype was described (Figure 1).

Nxl Combiner

Figure 1 - Schematic of the high-power picosecond laser consisting of a mode-locked fiber laser with two preamplifier stages and a T-DCF boost amplifier.

The polarization-maintaining seed source comprised four stages: a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) mode-locked fiber laser, an acousto-optical modulator (AOM-based pulse-picker), and two in-core pumped single-mode fiber pre-amplifiers. It generated a pulse train with the repetition rate of 34 MHz and 42 ps pulse duration with average power up to 150 mW at 1040 nm wavelength.

A high-power picosecond amplifier was composed of an Yb-doped double-clad polarization-maintaining tapered fiber. The measured in-core and clad absorptions were 900 and 25 dB/m at 976 nm, correspondingly. The numerical aperture (NA) of the core was 0.09, and the first clad NA was 0.28. T-DCF had output core diameter of 45 ^m and total length about 2.5 m. The T-DCF amplifier was designed to operate in a counter-propagating scheme shown in (Figure 2(a)). The beam from 976 nm multimode pump source was collimated and directed at 90° via the dichroic filter, and then focused by the second lens at the T-DCF end face. The filter was transparent for outgoing amplified signal at 1040 nm. The multiplexer was assembled in a compact water-cooled package with the output dimensions of 100*50*40 mm presented in Figure 2(b). The multiplexer together with the T-DCF was assembled into the water-cooled amplifier housing with 30 cm internal grooves enabling mechanical support and efficient cooling of an active tapered fiber.

Figure 2 - a) Schematic of the micro-optic-based multiplexer, b) photo of the

multiplexer.

Figure 3 (a) shows the dependence of the average power at the output of the laser system on the pump power at frequencies of 34 MHz, 1 MHz, and 100 kHz. At a fundamental frequency of 34 MHz with a maximum pump power of 300 W, the output power was more than 200 W. This corresponds to a slope efficiency of 71% and a signal gain of 35.7 dB. Figure 3 (b) also shows the spectrum of the output optical radiation at a maximum power of 200 W.

(a)

200

150-

0) o

CL

3 100 Q.

50 -

0 5 10 15 20 25 30

Pump power, w

—1—

50

(b)

—I-1-1-1—

100 150 200

Pump power, W

• 34 MHz ■ 1 MHz A 100 kHz

250

300

E 00 ■a

vi c <D

-60

-80

1

1 -200W (34 MHz)

i

1000

1020 1040 1060

Wavelength, nm

1080

1100

Figure 3 - a) Output power of the system versus total launched pump power at 34 MHz, 1 MHz and 0.1 MHz, b) the output spectrum of the T-DCF amplifier at 34

MHz and 200 W of average power.

Next, the parameter of beam propagation (M2) at the amplifier output was investigated. The dimensionless parameter M2 determines how well the beam can be focused with a given angular divergence. The M2 parameter, measured with the Thorlabs M2MS-BC106VIS automatic measurement system, was 1.34 at 200 W (Figure 4).

Figure 4 - The result of the measured M2 at 200 W output power and the far field

beam profile.

Next, the dependence of output spectra on the pump power was studied at 1 MHz pulse repetition rate. At 1 MHz and 70 W output power, 86% of the power was in the signal bandwidth (Figure 5), which is equivalent to a pulse energy of 60 ^J and a peak power of 1.17 MW without the presence of Raman peaks in the spectrum. The input signal has been amplified from 17 mW to 70 W with the total signal gain value equaled to 36.2 dB.

1000 1020 1040 1060 1080 1100

Wavelength, nm

Figure 5 - Spectra after the T-DCF amplifier at 1 MHz with varied pump level.

The pulse repetition rate was further reduced using AOM to 100 kHz, which allowed to increase the peak power further while reducing the average power to stay within nonlinearities-free operation (Figure 6). The pulse energy was 65 J and the peak power was 1.26 MW with an average output power of 7.5 W. These are the record values obtained for the polarization-maintaining fiber amplifiers by the direct amplification of a picosecond signal without involvement of the CPA technology.

■20

1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140

Wavelength, nm

Figure 6 - Spectra after the T-DCF amplifier at 100 kHz with varied pump level.

This chapter has demonstrated an efficient and compact all-fiber high-power picosecond polarization-maintaining laser system based on a double-clad active tapered fiber.

In the third chapter, a laser system, consisting of a distributed feedback laser operating in the gain-switched mode and a high-power amplifier based on an active tapered fiber, was proposed.

The scheme of an infrared picosecond laser is shown in Figure 7. It was possible to create a setup with only one preamplifier stage due to the use of an active tapered fiber as an amplifying medium and optimization of the preamplifier.

i

i Gain-switched DFB ■ diode 1064 nm

\ Oscillator

Figure 7 - Schematic diagram of MOPA laser setup.

A compact driver was used to generate picosecond pulses from a laser diode. The dependence of the average power on the voltage and pulse repetition rate is shown in Figure 8. The average power linearly depends on the voltage and pulse repetition rate.

Frequency, MHz Voltage, V

Figure 8 - a) Dependence of the average power on the pulse repetition rate, b) dependence of the average power on the value of the voltage.

Only one preamplifier was used in the laser system. The power from the laser diode from 300 ^W at 10 MHz and 15 ^W at 0.5 MHz was increased to 120 and 25 mW, respectively. This level of output power was sufficient for further amplification in a high-power conical fiber amplifier, since it allows an input signal of only a few tens of milliwatts.

Due to the use of a DFB laser diode as a master oscillator, it became possible to change the pulse repetition rate without using expensive active modulators. Figure 9 (a) shows the dependence of the output power at a wavelength of 1064 nm on the pump power of 976 nm. The slope efficiency for 10 MHz and 0.5 MHz was similar and amounted to ~70%. The maximum output power of the amplifier was 150 W at a frequency of 10 MHz. At a frequency of 0.5 MHz, the maximum power was 30 W and it was limited by the growing part of the spontaneous emission (ASE) in the signal. Figure 9 (b) shows the dependence of the peak power on the pump power.

Figure 9 - a) Dependence of output power on pump power, b) dependence of

output peak power on pump power.

The spectrum broadening is a typical limiting factor for power scaling of such laser systems. The broadening of the spectrum from 76 to 124 pm (Figure 10(a)) was associated with an increase in the intensity of the side peaks following an increase in the average power. However, it always remained below 100 pm when the power did not exceed 80 W level. The spectrum broadening at 10 MHz is a result of noisy pulse amplification: the pulses exhibit phase, temporal and amplitude fluctuations. The seed power level at the output of the tapered amplifier at 10 MHz is quite high resulted in efficient amplification of the noisy pulses and corresponding spectral broadening due to self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM) and four-wave mixing (FWM).

At the repetition rate of 0.5 MHz the full width at half maximum (FWHM) of the spectral line was 60 pm at 30 W output power (Figure 10(b)). The spectrum at this repetition rate also exhibited the temporal broadening due to SPM, however, it affects only coherent part of the spectrum and demonstrates asymmetric shape. The latest is caused by the self-steepening effect, which also led to the central peak shift towards short wavelength side.

Figure 10 - The spectra of 1064 nm signal at 10 and 0.5 MHz repetition rates at the

different output average powers.

Due to the unique properties of tapered fibers, such a system allows obtaining a peak power of more than 1 MW and a pulse energy of more than 60 ^J at a frequency of 500 kHz while maintaining a spectral width of less than 0.1 nm.

The fourth chapter is devoted to the development of a high-power picosecond laser system with a radiation wavelength of 532 nm and a small half-width of the emission spectral line. The operation of such a laser is based on the effect of frequency doubling or second harmonic generation (SHG), which occurs in a nonlinear optical crystal when high-power linearly polarized radiation propagates along a strictly specified crystallographic direction determined by the properties of the crystal.

In the first part of the chapter, the dependence of the second harmonic generation efficiency on the diameter of infrared (IR) radiation at the waist point was simulated at different peak powers with ideal synchronism [17]. Efficiency of 50% is achieved with an IR peak power of 200 kW. The results of modeling the efficiency of generation versus the angle 9 are also presented. The angle sensitivity decreases as the maximum peak power increases and the beam diameter decreases. Simulations show that maximum efficiency can be obtained at angles between 11.6 and 11.7 degrees.

To obtain laser radiation with a wavelength of 532 nm, a nonlinear crystal of lithium triborate (LBO) with linear dimensions of 3^3^10 mm was used (Figure 11). In such a crystal, the SHG effect occurs when radiation with a wavelength of 1064 nm propagates at angles 0 = 90° and ^ = 11.6° from the main optical axis of the crystal, while the polarization plane of the exciting IR radiation should be parallel to the main optical axis of the crystal.

Figure 11 - Experimental setup for the second harmonic generation (SHG).

The phase-matching condition was maintained by precise temperature control in a specially designed temperature-stabilized crystal oven. A half-wave plate was used to ensure the desired direction of polarization. The beam was focused into LBO crystal by an aspheric lens with a focal distance of 50 mm (ThorlabsAL2550M-B).

The results of experiments on the second harmonic generation are shown in Figure 12. The maximum output power of the green radiation of 32 W was achieved at the pulse repetition frequency of 10 MHz and the average IR pumping power of 83 W. The maximum power of the green radiation reached at the pulse repetition rate of 0.5 MHz, and the average IR pumping power of 30 W was 14.5 W.

35

30

5 25

L-T

CD

20

O

Cl

E 15

c

CM 10

CO

LO

5

0

—■ -0.5 MHz ■ /

—■ 10 MHz ■ / / /

■ K

■ > X ■

-

■ ■

10 20 30 40 50 60 70 1064 nm power, W

80 90

Figure 12 - The dependence of the output power at 532 nm on the power of 1064 nm signal at 10 and 0.5 MHz repetition rates.

The highest SHG efficiency was 53% at a frequency of 0.5 MHz and an average IR pump power of 12.5 W (peak power of 0.5 MW) (Figure 13). The decrease in efficiency with an increase in the IR pump power is associated with the broadening of the spectral line of the IR laser radiation. The maximum efficiency at a pulse repetition rate of 10 MHz was 38% and continued to grow. This is explained by the fact that at a frequency of 10 MHz, the peak pump power does not have time to reach optimal values, since the lasing efficiency depends not on the average, but on the peak power.

a)

60 50

s; 40 o a QJ

ô 30 it <D

0 20

1

if)

b)

o c 0) o ij= CD

0

1

t(.)

10

0

■ _

a ■

m __- M\ ■

■ ■

■ ■

—■- 0.5 MHz 10 MHz

/ ■

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1064 nm power, W

60 50

403020

10-

_i_I_I_I_I_I_I_L

0.5 MHz 10 MHz

—1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

1064 nm pulse peak power, MW

Figure 13 - a) The dependence of the efficiency of SHG on the power of 1064 nm signal, b) the dependence of the efficiency of SHG on the pulse peak power of

1064 nm signal.

The use of a combination of a high-power pulse amplifier based on an active T-DCF and a second harmonic generation module based on a nonlinear optical crystal of lithium triborate made it possible to obtain SHG at a wavelength of 532 nm with an efficiency of up to 53%, a spectral line with a width of less than 100 pm

and an average output optical power more than 32 W at a pulse repetition rate of 10 MHz.

The conclusion of the thesis presents the main findings and results of the

study:

1) A fiber picosecond laser master oscillator, a pulse repetition rate reduction unit based on an AOM, and a high-power amplifier based on active conical fibers have been developed. A peak power of more than 1.2 MW and an average power of more than 200 W were obtained, which are record values for fiber amplifiers with polarization maintaining through direct signal amplification without CPA.

2) A laser system of high power and pulse energy was developed based on a DFB laser diode as a master oscillator and a high-power amplifier based on an active T-DCF. The system demonstrated a peak power of 1 MW and a pulse energy of 60 ^J with a spectral width of less than 0.1 nm, which has not been achievable for picosecond fiber lasers based on large mode area fibers until now.

3) A high-power picosecond green-range fiber laser have been developed. Due to the narrow spectral line width, the green picosecond laser demonstrated second harmonic generation at a wavelength of 532 nm with a high efficiency of up to 53% and an optical output power of 32 W. The obtained results demonstrate the advantages of the 532 nm laser system based on T-DCF.

Thus, the formulated tasks of the thesis have been solved, and the set aim has been achieved. The results obtained are of scientific and practical importance in the development of ultrafast laser systems for scientific research and material processing, as well as in the creation of optical systems based on active tapered double-clad fibers.

The following manuscripts have been published on the topic of the thesis:

Publications in international editions, indexed in Scopus:

1. Petrov A. et al. Picosecond Yb-doped tapered fiber laser system with 1.26 MW peak power and 200 W average output power //Scientific Reports. - 2020. - Т. 10. - №. 1. - С. 1-8.

2. Petrov A. et al. High-power and pulse energy picosecond narrow linewidth laser system based on tapered fiber amplifier for second harmonic generation //Fiber Lasers XVIII: Technology and Systems. - International Society for Optics and Photonics, 2021. - Т. 11665. - С. 116651D.

3. Fedotov A. et al. High power picosecond MOPA with anisotropic ytterbium-doped tapered double clad fiber //Fiber Lasers and Glass Photonics: Materials through Applications. - International Society for Optics and Photonics, 2018. - Т. 10683. - С. 10683Ю.

4. Korobko D. A. et al. Harmonic mode-locking fiber ring laser with a pulse repetition rate up to 12 GHz //Optics & Laser Technology. - 2021. - Т. 133. -С.106526.

5. Korobko D. A. et al. Stabilization of a Harmonic Mode-Locking by Shifting the Carrier Frequency //Journal of Lightwave Technology. - 2021. - Т. 39. -№. 9. - С. 2980-2987.

Publications in other books and periodicals:

6. Петров А.Б. Исследование характеристик волоконно-оптического усилителя на основе активных тейперированных волокон, легированных ионами иттербия // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: 2018.

7. Петров А.Б., Одноблюдов М.А. Разработка и исследование волоконного пикосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод // Сборник трудов VIII конгресса молодых ученых. - СПб: 2019. - С. 252-256.

8. Золотовский И.О., Гуменюк Р.В., Итрин П.А., Коробко Д.А., Одноблюдов М.А., Петров А.Б., Рибенек В.А., Столяров Д.А. Кольцевой волоконный лазер с гибридной гармонической синхронизацией мод и частотой следования импульсов до 12 ГГц // 9й Международный семинар по волоконным лазерам. - Новосибирск: 2020. - С. 195-196.

9. Летов Д.А., Петров А.Б., Михайловский Г.А. Генерация второй гармоники в пикосекундном лазере на основе активного тейперированного волокна // Сборник тезисов докладов X Всероссийского конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: 2021.

References

1. Muhammad N. et al. Picosecond laser micromachining of nitinol and platinum-iridium alloy for coronary stent applications //Applied Physics A. - 2012. - T. 106. - №. 3. - C. 607-617.

2. Oosterhuis G. et al. Additive interconnect fabrication by picosecond laser induced forward transfer //2010 IEEE International 3D Systems Integration Conference (3DIC). - IEEE, 2010. - C. 1-5.

3. Sugioka K., Cheng Y. Ultrafast lasers—reliable tools for advanced materials processing //Light: Science & Applications. - 2014. - T. 3. - №. 4. - C. e149-e149.

4. Itoh K. et al. Ultrafast processes for bulk modification of transparent materials //MRS bulletin. - 2006. - T. 31. - №. 8. - C. 620-625.

5. Keller U. Ultrafast solid-state laser oscillators: a success story for the last 20 years with no end in sight //Applied Physics B. - 2010. - T. 100. - №. 1. - C. 15-28.

6. Dawson J. W. et al. Large flattened-mode optical fiber for reduction of nonlinear effects in optical fiber lasers //Fiber Lasers: Technology, Systems, and Applications. - International Society for Optics and Photonics, 2004. - T. 5335. - C. 132-139.

7. Perry M. D., Mourou G. Terawatt to petawatt subpicosecond lasers //Science. -1994. - T. 264. - №. 5161. - C. 917-924.

8. Kerttula J. et al. Principles and performance of tapered fiber lasers: from uniform to flared geometry //Applied Optics. - 2012. - T. 51. - №. 29. - C. 7025-7038.

9. De Bono P. et al. Laser processing of thin copper and aluminium thin sheets with green (532nm) and infrared (1064nm) pulsed laser beam sources //International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics. - Laser Institute of America, 2013. - T. 2013. - №. 1. - C. 520-528.

10. Hamad A. H. Effects of different laser pulse regimes (nanosecond, picosecond and femtosecond) on the ablation of materials for production of nanoparticles in

liquid solution. - IntechOpen, 2016. - C. 305-325.

11. He F. et al. Femtosecond laser fabrication of monolithically integrated microfluidic sensors in glass //Sensors. - 2014. - T. 14. - №. 10. - C. 1940219440.

12. Broderick N. G. R. et al. Large mode area fibers for high power applications //Optical Fiber Technology. - 1999. - T. 5. - №. 2. - C. 185-196.

13. Liu X. Hysteresis phenomena and multipulse formation of a dissipative system in a passively mode-locked fiber laser //Physical Review A. - 2010. - T. 81. -№. 2. - C. 023811.

14. Gomes L. A. et al. Picosecond SESAM-based ytterbium mode-locked fiber lasers //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 2004. - T. 10. - №. 1. - C. 129-136.

15. Fini J. M. Design of solid and microstructure fibers for suppression of higherorder modes //Optics Express. - 2005. - T. 13. - №. 9. - C. 3477-3490

16. Moses J., Malomed B. A., Wise F. W. Self-steepening of ultrashort optical pulses without self-phase-modulation //Physical Review A. - 2007. - T. 76. - №. 2. -C. 021802.

17. Boyd G. D., Kleinman D. A. Parametric interaction of focused Gaussian light beams //Journal of Applied Physics. - 1968. - T. 39. - №. 8. - C. 3597-3639.

Введение

Актуальность темы

Развитие практически всех ключевых отраслей экономики, включая аэрокосмическую, автомобилестроительную, медицину, микроэлектронику и фотонику, основано на использовании новых функциональных и конструкционных материалов, таких как керамика, композиционные материалы, новые сплавы, нано- и биоматериалы и др. При этом новые материалы требуют новых технологий их обработки, которые должны характеризоваться сверхвысокой точностью, высокой производительностью и одновременно низкой себестоимостью процесса. Развитие технологий цифрового проектирования требует появления производственных технологий, позволяющих получить сверхсложные геометрии изделий из любого современного материала. Этого можно достичь с помощью лазерных технологий обработки, основанных на использовании мощных пикосекундных лазеров, дающих высочайшее качество обработки практически любых современных материалов [1]. Еще одной тенденцией является использование пикосекундных лазеров для аддитивных технологий для повышения точности выращивания и расширения спектра материалов для реализации аддитивного процесса [2].

Благодаря высокому качеству пикосекундные лазеры могут достичь нового уровня точности микрообработки в различных промышленных приложениях - микроэлектронике, полупроводниковой и фотоэлектрической промышленности. Накопленная в коротком лазерном импульсе энергия позволяет получать высокие пиковые мощности, создавая уникальные условия для исследования сверхбыстрых процессов и нелинейных эффектов [3], а также для обработки и изменения свойств материалов. Такие короткие импульсы позволяют избежать нежелательных тепловых эффектов и позволяют обрабатывать различные материалы, которые практически невозможно обрабатывать с помощью непрерывных лазеров, такие как стекло,

керамика, пластмассы, армированные углеродным волокном, жаропрочные сплавы и прозрачные материалы [4].

В настоящее время большинство высокомощных пикосекундных лазерных систем, используемых в промышленности, основаны на объемных твердотельных лазерах [5]. Однако такие системы относительно дороги и велики, и они требуют регулярного обслуживания. Более того, массивные твердотельные пикосекундные лазеры имеют ограниченную среднюю выходную мощность, обычно до 100 Вт, и способны поддерживать только низкие частоты повторения, обычно до 1 МГц, при сохранении достаточной энергии импульса около 100 мкДж. Это ограничивает применение объемных твердотельных лазеров в тех областях, где требуется высокая скорость обработки деталей большой площади. Напротив, волоконные лазеры предлагают функциональность, простоту, долговечность, высокую эффективность, компактность и относительно небольшую цену. В связи с этим в промышленности существует большой спрос на мощные пикосекундные волоконные лазеры с выходной мощностью, сопоставимой с объемными твердотельными лазерами, которые позволяют работать в широком диапазоне частот повторения.

Однако эффективность прямого усиления пикосекундных волоконных лазеров все еще ограничена из-за сильных нелинейных эффектов [6]. Они возникают при недостаточно большой модовой площади активных волокон, поддерживающих одномодовый режим даже при микроджоульном уровне энергии пикосекундного импульса. Этот факт ограничивает достижимую пиковую мощность ниже уровня мегаватт, необходимого для реализации высококачественного процесса абляции в широком диапазоне материалов.

Наиболее распространенным подходом к увеличению пиковой мощности и энергии импульса при использовании волоконных усилителей является усиление чирпированных импульсов (УЧИ) [7]. Метод был представлен в 1985 году Донной Стрикленд и Жераром Муру, за что они были удостоены Нобелевской премии по физике в 2018 году. УЧИ включает в себя

растяжение задающего импульса до нескольких сотен пикосекунд или даже нескольких наносекунд перед последним этапом усиления, чтобы снизить уровень пиковой мощности внутри волоконного усилителя существенно ниже порога вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) [8]. Система УЧИ дополняется последующим сжатием импульсов до нескольких пикосекунд или даже до сотен фемтосекунд с использованием объемных диспергирующих элементов. Такой подход позволяет получить от нескольких десятков до сотен мегаватт пиковой мощности. Однако технология УЧИ приводит к усложнению конструкции лазера и значительному удорожанию системы и ее размеров, что делает ее целесообразной только для реализации в фемтосекундных волоконных лазерных системах [9]. Следовательно, существует большая практическая потребность в разработке экономичной простой в использовании технологии волоконного усилителя для создания компактной пикосекундной лазерной системы, способной обеспечить пиковую мощность в масштабе мегаватт, энергию импульса в несколько десятков микроджоулей и потребляемую мощность более 100 Вт в результат прямого усиления сигнала малой мощности без использования метода УЧИ. Дополнительным преимуществом такой мощной лазерной системы будет возможность получать энергию импульса, достаточную для обработки материала, с высокой частотой повторения, чтобы с высокой скоростью и точностью изготавливать детали большой площади.

Компактная лазерная система с прямым усилением пикосекундных импульсов может быть реализована с использованием активных конических волокон с двойной оболочкой (АКВДО) [10]. Особенностью данного волоконного усилителя является строго одномодовый характер распространения излучения в узкой части с диаметром сердцевины на уровне 10 мкм и сверхбольшой диаметр сердцевины в широкой части, превышающий 50 мкм. При этом в силу специально подобранного профиля усилителя, одномодовый сигнал, введенный с узкой стороны, остается одномодовым и в широкой части при усилении до 40 дБ. Усилители на основе АКВДО обладают

более высокими порогами для проявления нелинейных эффектов, таких как вынужденное комбинационной рассеяние [11] и Бриллюэновское рассеяние света [12], что связано с изменяющимся по длине диаметром сердцевины и оболочки и сверхбольшой площадью моды в широкой части волокна, где энергия усиливаемого импульса достигает высоких значений. Такая конфигурация усилителя позволяет нарушить условия появления нелинейных эффектов. В силу того, что АКВДО представляет собой активный световод с плавно изменяющимся диаметром сердцевины, можно рассматривать его как последовательность большого числа коротких предусилителей, что позволяет получать высокую выходную мощность даже при относительно небольшой входной мощности задающего лазера на уровне нескольких милливатт. Малая мощность задающего сигнала является необходимым фактором, позволяющим минимизировать нелинейные эффекты в узкой части усилителя. Такие волокна также позволяют использовать в качестве накачки экономичные многомодовые источники низкой яркости и высокой мощности.

Развитие технологий обработки пикосекундными лазерами привело к необходимости использования коротковолновой части спектра, например, зеленой (520-535 нм) или ультрафиолетовой (355 нм), дополнительно к традиционной ближней инфракрасной области (1 мкм). Это позволяет довести точность обработки с использованием пикосекундных лазеров до субмикронного уровня, расширить спектр, обрабатываемых с высоким качеством, материалов, включить в него пластики, термочувствительные композиты, органические материалы. В последние несколько лет быстрыми темпами развивается использование пикосекундных зеленых лазеров для 3Д печати биологических объектов [13]. Также мощные лазеры в режиме зеленой длины волны вызывают все больший интерес в области обработки материалов с высокой отражающей способностью. В частности, сварка меди зарекомендовала себя как область применения, в которой можно значительно выиграть от использования зеленого лазерного излучения [14]. По сравнению с обычными инфракрасными лазерами того же уровня мощности, зеленые

высокомощные лазеры обеспечивают превосходные сварочные параметры с точки зрения скорости и эффективности, а также по качеству сварных швов. Теплопроводная сварка меди, обеспечивающая наилучшее качество шва, стала возможной не раньше, чем появились лазеры с длинами волн видимого диапазона. Несмотря на достигнутые успехи, растущее число и объем применения сварки цветных металлов, в частности, в области мобильности и накопления энергии, выдвигают требования к дальнейшему расширению возможностей зеленых лазеров излучения для повышения эффективности процесса и обеспечения возможности сварки новой геометрии, например, сварки более толстых медных листов.

Все это позволяет утверждать, что тема высокомощных импульсных пикосекундных лазеров инфракрасного и зеленого диапазонов в настоящее время является крайне актуальной. Данная работа посвящена разработке таких лазерных систем на основе активного конического волокна с двойной оболочкой.

Целью настоящей работы является разработка и исследование высокомощных волоконных пикосекундных лазерных систем на основе активных волокон с двойной оболочкой и переменным диаметром сердцевины.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:

1. Проведены исследования параметров и свойств активных конических волокон, легированных иттербием, с двойной оболочкой и сохранением поляризации;

2. Определены параметры распространения накачки и процессов усиления в активном коническом волокне с двойной оболочкой;

3. Разработана конструкция высокомощного импульсного волоконного усилителя на основе активного конического волокна;

4. Проведены исследования нелинейных оптических эффектов в пикосекундном волоконном усилителе на основе активных конических волокон;

5. Проведены исследования эффективности генерация второй гармоники с использованием инфракрасного излучения высокомощного конического волоконного усилителя.

Научная новизна работы

1. Предложен подход к созданию высокомощной компактной пикосекундной лазерной системы инфракрасного диапазона, состоящей из волоконного задающего лазера с пассивной синхронизацией мод и усилителя на основе активного волокна, легированного иттербием, с двойной оболочкой и переменным диаметром сердцевины.

2. Впервые продемонстрирована пиковая мощность оптического излучения на длине волны 1064 нм более 1,2 МВт с помощью полностью волоконного усилителя на основе активного конического волокна с двойной оболочкой в результате прямого усиления пикосекундных импульсов без применения технологии усиления чирпированных импульсов.

3. Предложен подход к созданию лазерной системы на основе волоконного конического усилителя и задающего генератора на основе лазера с распределенной обратной связью, работающего в режиме модуляции усиления, позволяющий получить пиковую мощность более 1 МВт и энергию в импульсе более 60 мкДж при сохранении спектральной ширины менее 0,1 нм.

4. Проведено исследование условий эффективной генерации второй гармоники оптического излучения на длине волны 532 нм с помощью кристалла трибората лития при накачке его пикосекундными импульсами, усиленными в активных конических волокнах с двойной оболочкой и сохранением поляризации и достигнуто более 30 Вт средней

оптической мощности излучения с эффективностью преобразования во вторую гармонику более 53%.

Научная и практическая значимость работы

Практическая значимость работы состоит в том, что были разработаны лабораторные стенды по исследованию основных параметров активных конических волокон с двойной оболочкой, легированных иттербием. Разработан и реализован макет компактного высокомощного оптического усилителя на основе активного конического волокна с двойной оболочкой и сохранением поляризации благодаря применению разработанного мультиплексора на основе микрооптики для ввода излучения накачки от многомодовых полупроводниковых лазерных диодов. Разработана пикосекундная лазерная система на основе волоконного конического усилителя и задающего генератора на основе лазера с распределенной обратной связью, работающего в режиме модуляции усиления, позволяющая получить пиковую мощность оптического излучения более 1 МВт и энергию в импульсе более 60 мкДж при сохранении спектральной полуширины менее

0.1 нм, что может быть использовано для генерации второй и третьей гармоник, а также Рамановской спектроскопии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение в волоконных усилителях конического волокна с двойной оболочкой, легированного иттербием, с диаметром поля моды 35 мкм и диаметром укладки не более 30 см позволяет повысить порог возникновения нелинейных эффектов и получить максимальную пиковую мощность оптического излучения более 1,2 МВт с частотой следования импульсов 1 МГц, а также максимальную среднюю мощность оптического излучения 200 Вт с частотой 10 МГц, центральной длиной волны излучения 1040 нм и длительностью импульса 50 пс при

сохранении качества пучка близким к дифракционному пределу с параметром М2 менее 1,3.

2. Использование задающего генератора на основе полупроводникового лазерного диода с распределенной обратной связью, работающего в режиме модуляции усиления, с энергией импульсов 10 пДж и длительностью 50 пс на длине волны оптического излучения 1064 нм и активного конического волокна с двойной оболочкой, диаметром поля моды 35 мкм и вводом излучения накачки из волокна 200/220 мкм лазерного диодного модуля с длиной волны 976 нм через разработанный мультиплексор на основе микрооптики позволяет получить пиковую мощность оптического излучения не менее 1 МВт и энергию импульса не менее 60 мкДж с частотой следования импульсов 500 кГц и сохранении полуширины спектра излучения менее 0,1 нм.

3. Использование оптического усилителя на основе активного конического волокна с двойной оболочкой и сохранением поляризации оптического излучения с полушириной спектральной линии менее 100 пм на длине волны 1064 нм и длительностью импульса 50 пс при пиковой мощности до 1 МВт повышает эффективность генерации второй гармоники в нелинейном оптическом кристалле трибората лития и позволяет получить генерацию на длине волны излучения 532 нм со средней мощностью более 32 Вт с частотой следования импульсов 10 МГц и эффективностью преобразования до 53% с частотой 500 кГц без увеличения ширины спектральной линии.

Методы исследования

1. Проведение компьютерного моделирования ввода оптического излучения в коническое волокно с двойной оболочкой.

2. Проведение компьютерного моделирования в среде Matlab.

Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях:

• VII, VIII, IX, X Конгресс молодых ученых (2018, 2019, 2020, 2021);

• XLVII, XLVIII, XLIX Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2018, 2019, 2020);

• 19-я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (2017);

• 9-й Международный семинар по волоконным лазерам (2020);

• SPIE Photonics Europe - Strasbourg, France (2018);

• Laser Optics ICLO - St.Petersburg, Russia (2020);

• SPIE Photonics West, San Francisco, California, United States (2021);

• Conference on Lasers and Electro-Optics, San Jose, California, United States (2021).

Достоверность научных достижений

Достоверность подтверждается тщательностью и корректностью теоретических исследований, соответствием их экспериментальным данным, полученным в условиях физического моделирования. Эксперименты проводились на стендах, содержащих поверенную аппаратуру необходимого класса точности. Полученные результаты научной работы обсуждались на международных и всероссийских конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы

Разработанные волоконные усилители и лазеры на основе активного конического волокна используются следующими компаниями:

• ООО «Поларус»

• ООО «Оптосистемы»

• ООО «Нордлейз»

А также научными учреждениями:

• Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СЮ РАН)

• Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)

Полученные научные результаты были применены Университетом Тампере (Tampere University) в ходе реализации проекта «PULSE» (Grant Agreement Number: 824996, funded by the European Union's Horizon 2020 Researcher and Innovation Programme).

В настоящее время данные волоконные усилители проходят тестирование для внедрения в лазерные установки.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 5 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 4 публикации в иных изданиях.

Личный вклад автора

Все приведенные в работе расчёты и экспериментальные исследования выполнены лично автором либо при его определяющем участии.

Автор выражает благодарность коллегам из Института перспективных систем передачи данных Университета ИТМО.

Цели и задачи исследования сформулированы автором совместно с научным руководителем. Подготовка научных статей и докладов на конференциях проводилась совместно с соавторами. Написание текстов публикаций проводилось лично автором либо при его определяющем участии.

Структура и объем диссертации

Данная диссертационная работа состоит из введения, четырех основных глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной материал изложен на 210 страницах, содержит 92 рисунка, 4 таблиц и список литературы из 140 источников. В приложении приведены тексты основных опубликованных статей.

Глава 1. Обзор научно-технической литературы

1.1 Оптические волокна в лазерах

В данном разделе речь пойдет о применении оптических волокон в усилителях и лазерах. Оптические волокна состоят из сердцевины и оболочки, где свет распространяется преимущественно в области сердцевины. При определенных поперечных распределениях амплитуды электрического поля дифракция и преломление уравновешивают друг друга, позволяя таким распределениям распространяться в волокне без изменений. Эти распределения известны как моды, а количество возможных мод и их формы зависят от структуры волокна (рисунок 1.1). Оптические волокна изготавливаются из различных материалов, однако волокна на основе диоксида кремния имеют множество преимуществ, благодаря которым именно они стали наиболее популярными.

К-параметр или нормализованная частота - это фундаментальное соотношение между числовой апертурой, длиной волны отсечки и радиусом сердцевины в волокнах со ступенчатым показателем преломления.

у _ 2па xNA ^ ^

1 V • /

где а - радиус сердцевины, ЫА - числовая апертура (ЧА), Я - длина волны.

По определению V = 2,405 на длине волны отсечки каждого одномодового волокна. Когда значение V превышает 2,405, волокно будет распространять несколько мод. Если же значение V меньше 2,405, то свет, распространяющийся через волокно, будет одномодовым. Вышеприведенное уравнение показывает, что волокна с высокой числовой апертурой или короткой длиной волны отсечки требуют малого радиуса сердцевины.

Одномодовые волокна имеют ряд преимуществ применительно к усилителям и лазерам. Прежде всего, основная мода имеет качество луча, близкое к дифракционно ограниченному, позволяющее фокусировать

выходной луч в точку малого размера, что крайне важно при использовании в лазерных системах. В импульсных лазерах одномодовые волокна позволяют избежать проблемы модовой дисперсии, когда длительность импульса может увеличиваться из-за различных мод, распространяющихся с разными скоростями.

МНОГОМОДОВОЕ ВОЛОКНО ОБОЛОЧКА

~ !

ОДНОМОДОВОЕ ВОЛОКНО '

СЕРДЦЕВИНА

Рисунок 1.1 - Схематическое изображение одномодового и многомодового

оптического волокна.

Однако одномодовые волокна имеют и ряд недостатков. Например, их нельзя использовать для эффективной передачи излучения от недифракционных источников низкой яркости, которые зачастую используются в качестве накачки в волоконных лазерных системах. Также при использовании одномодовых волокон возникает проблема малого диаметра сердцевины (до 10 мкм), что вызывает оптическую нелинейность [15], ограничивая использование одномодовых волокон маломощными волоконными лазерами и усилителями.

Многомодовые же волокна, как следует из названия, поддерживают распространение большого количества мод. Для этого многомодовое волокно должно иметь большую сердцевину, обычно диаметром более 50 мкм, и высокую числовую апертуру (более 0,15). Преимуществом таких волокон является то, что ввести излучения от источника низкой яркости не составляет большого труда. Основной же недостаток заключается низком качестве пучка

относительно одномодовых волокон. Это связано с тем, что взаимодействие мод во время распространения изменяет модовый состав. В лазерных системах многомодовые волокна в основном используются для доставки излучения накачки от высокомощных многомодовых полупроводниковых лазерных диодов.

1.2 Волокна с большой площадью моды

Существует еще один тип оптических волокон, волокна с большой площадью моды (БПМ), которые объединяют преимущества одномодовых и многомодовых волокон. Такие волокна имеют сердцевину в несколько раз большую, чем у стандартных одномодовых волокон. При этом волокна БПМ имеют К-параметр выше 2,405 и, таким образом, поддерживают несколько мод более высокого порядка в дополнение к основной моде. Тем не менее, такие волокна позволяют работать в одномодовом режиме, если их укладывать в кольцо малого диаметра. Укладка приводит к потерям в модах более высокого порядка, в то время как основная мода останется практически неизменной. Основной проблемой является то, что при изготовлении волокон БПМ необходимо крайне точно контролировать показатели преломления в сердцевине и оболочке, поскольку основная мода очень чувствительна к случайным флуктуациям данного параметра. Следовательно, такие волокна значительно дороже в изготовлении, чем стандартные одномодовые и многомодовые.

В настоящее время существует несколько подходов создания активных волокон для приложений, требующих высокой пиковой мощности и энергии импульса. Во-первых, волокна с низкой числовой апертурой сердцевины и большим её диаметром, называемые волокнами с большой площадью моды. Волокна с низкой числовой апертурой сердцевины обычно находится в диапазоне 0,06-0,08. Это минимально возможное значение из-за определенных технических ограничений технологии изготовления волокна по технологии модифицированного химического парофазного осаждения (МСУО),

поскольку крайне трудно реализовать низкую разницу показателя преломления. Максимальный диаметр сердцевины волокон БПМ составляет около 40-50 мкм. Качество одномодового пучка достигается за счет подавления мод более высокого порядка с помощью потерь на изгибе.

Также существуют и другие технологии: фотонно-кристаллические волокна (ФКВ), LCF (от англ. leakage channel fiber) [16], а также волокна для мод высокого порядка (HOMF) [17]. На рисунке 1.2 показаны изображения торцов таких волокон под микроскопом и профили выходных пучков.

Рисунок 1.2 - Изображение торцов волокон с большой площадью моды со ступенчатым показателем преломления (SIF), фотонно-кристаллического волокна (PCF) и волокна с каналом утечки (LCF) [18].

Также существуют волокна с хирально связанной сердцевиной, позволяющие достичь одномодового режима работы с сердцевиной размером более 50 мкм. Это достигается путем добавления еще одной или нескольких спиральных боковых сердцевин вокруг основной сердцевины для разделения мод высокого порядка.

Существуют и разработки полностью цельных оптических волокон из диоксида кремния с большой площадью моды (НВ-ЬМЛ) (рисунок 1.3). В таком волокне двулучепреломление и одномодовый режим не зависят от изгиба и являются результатом внутренней наноструктуризации сердцевины,

которая делает стекло анизотропным. Было продемонстрировано, что анизотропное стекло может успешно использоваться в качестве материала сердцевины в световодах с большой площадью сердцевины [19]. В результате моделирования было получено фазовое двулучепреломление в световоде с диаметром сердцевины 30 мкм и эффективной площадью моды 573 мкм2 и 804 мкм2 для х- и у-поляризации соответственно. Тот же подход был применен при разработке одномодового волокна с диаметром сердцевины 40 мкм и эффективной площадью моды более 1000 мкм2, которое поддерживает только одну поляризацию. Однако данные волокна пока существуют лишь в теории и не были реализованы на практике.

Рисунок 1.3 - Схема оптического волокна большой площадью моды и с анизотропной сердцевиной, состоящего из чередующихся субволновых слоев с высоким и низким показателями преломления [19].

Эффективной технологией является и фотонно-кристаллические волокна, которые могут достигать одномодовых пучков даже при сердцевине диаметром более 100 мкм (рисунок 1.4). Однако поскольку структура ФКВ содержит воздушные отверстия, которые могут схлопнуться во время сваривания, излучение сигнала должно вводиться в волокно через объемную оптику, что приводит к потере многих преимуществ, связанных с обычными волоконными лазерами.

Air hole

Рисунок 1.4 - ФКР волокна (а) 2Д схема элементов внутри волокна, (б) структура сердцевины, (в) единичный элемент структуры [21].

Фотонно-кристаллические волокна представляют собой несгибаемый стержень длиной 1-2 метра, и фактически эта технология аналогична твердотельным усилителям с объемной оптикой, большими размерами и низкой надежностью. Волокна, выполненные в соответствии с технологиями LCF или НОМР также позволяют достичь почти дифракционного ограниченного режима распространения мод с параметром М2 в районе 1,31,4. Диаметр сердцевины обычно не превышает 50-60 мкм. Однако общим недостатком всех вышеупомянутых типов волокон является очень сложная структура, из чего следует высокая стоимость производства и ограниченный диаметр поля моды.

1.3 Активные волокна

Активные волокна содержат в своей сердцевине активные ионы и могут усиливать оптические сигналы, когда ионы возбуждаются до подходящего метастабильного уровня энергии с помощью излучения оптической накачки. Они могут быть одномодовыми, многомодовым или с большой площадью моды, но выбор между одномодовыми и многомодовыми источниками накачки дополнительно разделяет их на волокна с одной и двумя оболочками.

В активном волокне с одной оболочкой излучение накачки распространяется по сердцевине вместе с усиленным сигналом и, следовательно, также должен быть ограничен дифракцией, если сердцевина является одномодовой. Волокно с двойной оболочкой (ВДО) [20] содержит вторую внутреннюю оболочку вокруг сердцевины, которая действует как волновод для излучения накачки. Наружная оболочка, ограничивающая пучок накачки, обычно изготавливается либо из полимера с низким показателем преломления, либо из стекла, легированного фтором [22]. Максимальная выходная мощность полупроводникового лазерного диода, ограниченная дифракцией, составляет примерно 1 Вт, что ограничивает работу волоконных лазеров и усилителей с накачкой в сердечнике до низких средних мощностей. Для работы с высокой мощностью требуются активные волокна с двойной оболочкой, накачка которых может осуществляться с помощью мощных многомодовых диодов накачки. Оптические волокна с двойной оболочкой и сердцевиной, легированной редкоземельными элементами ^Ь, Ег, Тт или №), обычно используется в качестве активной среды для волоконных лазеров и усилителей высокой мощности. Излучение накачки попадает во внутреннюю оболочку волокна, расположенную ближе к сердцевине. В то время как как усиленное излучение распространяется непосредственно в сердцевине волокна, как это показано на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Активное волокно с двойной оболочкой.

Излучение накачки распространяется во внутренней части оболочки и частично проникает в легированную сердцевину. Со временем вся мощность накачки поглощается редкоземельными ионами в сердцевине волока и

преобразуется в усиленное излучение. Максимально достижимая выходная мощность волоконного лазера/усилителя определяется главным образом внешней площадью оболочки, а значит диаметром активного волокна и концентрацией легирующих примесей. Диаметр активной сердцевины также очень важен с точки зрения подавления нелинейных эффектов: вынужденного Бриллюэновского рассеяния (ВРМБ), вынужденного Рамановского рассеяния (комбинационного рассеяния, КР) и фазовой самомодуляции (ФСМ). На данный момент нелинейные эффекты являются основным ограничивающим фактором для масштабирования мощности волоконных лазеров и усилителей

[23].

Усиление света в оптических волокнах основано на лазерно-активных трехвалентных ионах редкоземельных элементов в сердцевине, где они могут взаимодействовать с распространяющимся светом. Такое волокно, называемое оптическим волокном, легированным редкоземельными элементами, или просто активным волокном, может накапливать энергию в форме электронного возбуждения. Энергия может быть передана путем продвижения ионов до метастабильного энергетического уровня с помощью излучения накачки на длине волны, которую ионы могут эффективно поглощать. Затем эта энергия может быть высвобождена для усиления излучения сигнала с большей длиной волны. Сильное взаимодействие между светом и ионами редкоземельных элементов, вызванное высоким оптическим излучением в небольшой сердцевине, способствует высокой эффективности оптического преобразования мощности накачки в сигнал с уменьшенным выделением тепла. Следовательно, волоконные лазеры и усилители не страдают от теплового линзирования, которое является основным препятствием для традиционных твердотельных лазеров, до тех пор, пока они не достигнут очень высоких средних мощностей [24]. Отсутствие теплового линзирования отделяет форму выходного излучения от среднего уровня мощности, позволяя получать высокую среднюю оптическую мощность с почти дифракционным ограничением. По той же причине резонатор мощного

волоконного лазера, в отличие от объемного твердотельного лазера, не требует тщательной оптимизации для конкретного уровня выходной мощности.

Волноводная природа активных волокон дает им также ряд практических преимуществ. Во-первых, большинство активных волоконных световодов можно удобно накачивать с помощью недорогих полупроводниковых лазерных диодов. Во-вторых, на рынке существует большой выбор оптических волокон стандартных размеров и компонентов оптоволоконной связи в связи с ростом рынка как волоконных лазеров, так и оптических телекоммуникационных сетей [25]. Поскольку волокна могут быть соединены вместе с низкими потерями с помощью сварки, вышеупомянутые преимущества позволили создавать компактные не требующие юстировки волоконные лазерные устройства.

Три наиболее часто используемых редкоземельных элемента в волоконных лазерах - эрбий, тулий и иттербий, каждый из которых имеет переходы в ближней инфракрасной области. Ионы УЪ3+ излучают свет с длиной волны 980-1100 нм, ионы Ег3+ - 1525-1610 нм, а ионы Тт3+ - 1800-2100 нм (рисунок 1.6). Волокна, легированные эрбием, используются в телекоммуникациях, потому что полоса излучения совпадает с минимумом потерь оптических волокон на 1,55 мкм. Волокна, легированные тулием, используются, в частности, в безопасных для глаз лазерных приложениях, поскольку лазерное излучение размером 2 мкм поглощается водой и не может достигать сетчатки. Наконец волоконные лазеры и усилители, легированные иттербием, удерживают текущие рекорды мощности благодаря многочисленным преимуществам усиливающей среды. По этой причине в лазерных системах, описанных в этой диссертации, также используются волокна, легированные иттербием.

Рисунок 1.6 - Схема энергетических уровней различных ионов редкоземельных металлов [26].

Первым важным преимуществом иттербия перед альтернативными лазерно-активными ионами является его простая энергетическая зонная структура, состоящая только из двух уровней. Отсутствие более высоких энергетических уровней предотвращает поглощение возбужденного состояния, которое может быть причиной значительных потерь в других типах активных волокон. Структура энергетических уровней иттербия показана на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Схема энергетических уровней иттербия [27].

Простая структура энергетических зон позволяют моделировать возбуждение иона УЪ3+ как двухуровневую систему, где кривая эффективности поглощения описывает вероятность перехода с нижнего уровня на верхний, а кривая эффективности люминесценции описывает обратный процесс стимулированного излучения. На рисунке 1.8 показаны кривые эффективности поглощения и люминесценции для ионов иттербия в оптическом волокне.

30

к II

3"

ф 3"

ф 20

1 £

ф з

ф

3" 10

о

с