Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Экспериментально и теоретические исследованы свойства лазерной генерации волоконного лазера с относительно короткими конфигурациями резонатора в полностью волоконном исполнении с перспективными искусственными синхронизаторами мод излучения, в числе которых нелинейное усиливающее петлевое зеркало с двумя независимо накачивающимися активными средами. Сделан акцент на получение лазерного излучения с низкой степенью когерентности в конфигурациях, имеющих бОльшую вероятность реализации в пользовательском исполнении. Проведён анализ схемных оптических решений, выбраны конфигурации, соответствующие цели проекта. Выявлена необходимость использования методов дополнительного понижения степени когерентности излучения, так как выбранные конфигурации резонатора волоконного лазера не обеспечивали генерацию импульсов с требуемой низкой степенью когерентности. Экспериментально опробован разработанный внерезонаторный метод увеличения хаотичности внутренней структуры шумоподобного импульса. При амплитуде центрального пика автокорреляционной функции импульсов выходного излучения ~0.35 (относительно общей амплитуды автокорреляционной функции 1) амплитуда центрального пика могла быть увеличена до 0.45-0.49 после прохождения излучением 2.2 км волокна TrueWave (без поддержки поляризации излучения). Средняя мощность излучения составила ~60 мВт. Анализируются и уточняются механизмы увеличения хаотичности параметров суб-импульсов. Проведены теоретические исследования зависимости степени когерентности излучения от амплитуды центрального пика двухмасштабной автокорреляционной функции шумоподобных импульсов. Показано, что степень когерентности излучения уменьшается при увеличении этой амплитуды, при величине этой амплитуды, составляющей 50% от общей амплитуды автокорреляционной функции степень когерентности излучения шумоподобных импульсов составляет ~0.1. Исследованы возможности и ограничения методов управления малой степенью когерентности шумоподобных импульсов. Выявлена возможность электронного управления (током питания, влияющим на мощность излучения, диодных лазеров накачки) режимами генерации и степенью когерентности излучения. Определены закономерности формирования параметров шумоподобных импульсов в разных управляемых режимах генерации (электронном, ручном). Установлены наиболее перспективные пути создания прототипа низкокогерентного короткоимпульсного лазера. В ходе работ первого этапа создан необходимый и достаточный задел для перехода к второму этапу проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Разработан новый метод генерации шумоподобных импульсов в кольцевом волоконном лазере с использованием чередующихся оптоволокон с аномальной и нормальной дисперсией. При движении внутри такого резонатора солитоны испытывают периодическое воздействие, связанное с временным сжатием в волокне с аномальной дисперсией и расширением в волокне с нормальной дисперсией. Моделирование показывает, что в результаты такого воздействия стационарные солитоны становятся неустойчивыми, а пассивная синхронизация мод реализуется в режиме излучения шумоподобных импульсов, состоящих из хаотически эволюционирующих солитонов. Разработанный метод является ещё одним способом генерации шумоподобных импульсов. 2. Выявлены возможности и ограничения предложенного способа уменьшения степени когерентности излучения шумоподобных импульсов при их прохождении через длинное внешнее оптоволокно. Показано, что этот метод характеризуется заметными потерями излучения, увеличение длины волокна может привести к необходимости использования дополнительного оптического усилителя для обеспечения приемлемого уровня мощности выходного излучения. Необходимо отметить, что внерезонаторные методы генерации noise-like импульсов с использованием длинного оптоволокна или усилителя наблюдались в следующих работах: A. Turnali et al. "Noise-like pulse generation and amplification from soliton pulses", Opt. Express, v. 30, 13977-13984 (2022) и H. Yang et al. ”Watt-level 1.6 μm dissipative soliton ultrafast laser and external generation of ∼70 fs noise-like pulses for supercontinuum generation”, Infrared Phys. Technol., v. 134, 104872 (2023). Указанные работы подтверждают возможность хаотизации распределения электро-магнитного поля внутри импульса вне резонатора лазера. 3. Проведено определение степени когерентности излучения шумоподобных импульсов с помощью автокорреляционной функции интенсивности и с помощью видности интерференционных полос в интерферометре Майкельсона. Последний способ показал более низкую степень когерентности излучения шумоподобных импульсов в сравнении с традиционными солитонами, хотя, как показал анализ, ещё одним существенным механизмом уменьшения степени когерентности излучения является чирп, который значительно уменьшает степень когерентности излучения как шумоподобных импульсов, так и традиционных импульсов. Численное моделирование показывает, что наличие одного только чирпа импульсов (даже линейного), без каких-либо флуктуаций амплитуды и фазы поля импульсов, оказывается достаточным для падения степени когерентности ниже 0.1 на масштабах временных задержек порядка трёх обратных ширин оптического спектра. Несложно качественно понять близкую к нулю взаимную когерентность разных частей импульса даже в отсутствие стохастики. Т.о. впервые выявлен дополнительный механизм генерации шумоподобных импульсов излучения с минимальной степенью когерентности. 4. Разработана схема низко-когерентного короткоимпульсного волоконного лазера, изготовлен прототип и проведены его испытания. Конструкция протипа выполнена в формате 19 дюймов rack и включает все необходимые органы управления и контроля для работы лазера. Резонатор лазера выполнен в формате “all-fiber-PM” c повышенной защитой от изменений параметров внешней среды и упором на надёжность, воспроизводимость и стабильность параметров излучения. При выборе оптических и электронных решений акцентировалось максимальное дистанцирование от лабораторно-исследовательских подходов. Выявленная оптимальная конфигурации резонатора лазера успешно испытана во всём диапазоне мощностей излучения диодов накачки, испытания подтвердили правильность выбранных решений. Концепт пользовательского интерфейса для управления функционалом лазера базируется на интуитивно-понятных средствах. Измерены характеристики излучения прототипа. Начата работа по оптимизации элементов резонатора лазера. 5. Получены результаты экспериментальных и теоретических исследований методов регулировки и установки заданных параметров излучения прототипа низко-когерентного короткоимпульсного лазера. Выбор режима генерации шумоподобных импульсов производится установкой определённых токов лазеров накачки. Для нахождения значений этих токов была найдена карта генерационных режимов лазера, соответствующая различным соотношениям токов лазеров накачки. Была установлена повторяемость параметров излучения волоконного лазера при выборе определённых токов лазеров накачки. Установление повторяемости параметров излучения при выборе определённых токов лазеров накачки выявило возможность полностью электронного управления параметрами излучения волоконного лазера. 6. Результаты исследования возможностей и ограничений увеличения энергии импульсов задающего генератора низко-когерентного короткоимпульсного излучения показали, что потенциал увеличения энергии импульсов излучения внутри резонатора лазера практически исчерпан, так как токи лазеров накачки фиксированы. Но существует возможность усиления шумоподобных импульсов вне резонатора лазера до уровня средней мощности излучения несколько Вт (10.1364/OE.453946) или даже более 10 Вт (10.1364/OE.23.018256). 7. Проанализированы различные аспекты генерации шумоподобных импульсов. Предложен новый механизм их формирования на основе аналогии между шумоподобным импульсом и каплей солитонной жидкости. Аналогия между солитонными структурами волоконного лазера и различными агрегатными состояниями вещества (10.1007/s00340-009-3774-7) позволяет лучше понять парадоксальную динамику генерации шумоподобных импульсов.