Модовая динамика и нелинейные эффекты при ВКР преобразовании многомодового пучка в градиентных волокнах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-42-00019

НазваниеМодовая динамика и нелинейные эффекты при ВКР преобразовании многомодового пучка в градиентных волокнах

Руководитель Бабин Сергей Алексеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №52 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слова Волоконный лазер, ВКР лазер, ВКР усилитель, градиентный световод, многомодовый, чистка пучка, диодная накачка, выбор длины волны, перестраиваемый, модовая нестабильность, модовая декомпозиция, глубокое обучение

Код ГРНТИ29.33.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последнее время многомодовые волокна привлекают большое внимание исследователей из-за возможности передавать существенно большие объёмы информации и световой мощности по множеству поперечных мод, поддерживаемых такими волокнами. Однако при высокой интенсивности большую роль в динамике распространения начинают играть нелинейные эффекты. Эффект неупругого вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) приводит к уменьшению энергии фотона (на энергию фонона), таким образом рассеянное излучение оказывается сдвинутым в длинноволновую область (для кварцевых волокон стоксов сдвиг составляет ~ 13 ГГц). Эффект ВКР используется при создании эффективных волоконных ВКР-усилителей и ВКР-лазеров, которые могут излучать практически на любой длине волны внутри окна прозрачности кварцевых волоконных световодов (от 1 до 2 мкм) при каскадном преобразовании излучения накачки в стоксово излучение первого и последующих порядков. Дополнительно к сдвигу частоты ВКР-преобразование в многомодовых волокнах может сопровождаться существенными изменениями временной и пространственной огибающих стоксова пучка, состоящей из поперечных мод, по сравнению с многомодовым пучком накачки. В частности, в волокнах с градиентным профилем показателя преломления генерируемый (или усиленный) стоксов пучок может иметь существенно лучшее качество, чем пучок накачки. Этот так называемый эффект рамановской чистки активно исследуется в последние годы в связи с возможностью реализации высокомощных ВКР-усилителей и ВКР-лазеров с прямой диодной накачкой, сопровождающийся увеличением яркости генерируемого пучка, причем практически на любой длине волны. Группы, участвующие в проекте, имеют лидирующие позиции в этой области, продемонстрировав наибольший коэффициент увеличения яркости в схеме ВКР-лазера с градиентным многомодовым волокном с генерацией излучения, близкого к одномодовому (Российская группа), и наибольшей выходной мощностью (на киловаттном уровне) в схеме многомодового градиентного волоконного ВКР-усилителя. В то же время в обеих схемах наблюдались необычная модовая динамика и нестабильности, отличающиеся от хорошо известной модовой нестабильности в обычных иттербиевых и эрбиевых волоконных лазерах. Главная цель данного проекта состоит в объединении усилий российской и китайской групп в решении актуальной задачи экспериментального и теоретического изучения динамики поперечных мод и развития нестабильностей, выявления их механизмов и роли различных нелинейных эффектов (эффекты ВКР, Керра, 4-волнового смешения) при ВКР преобразовании многомодовых пучков в пассивных волокнах с градиентным профилем показателя преломления в различных конфигурациях: усилитель, лазер с резонатором из волоконных брэгговских решеток (ВБР), лазер со случайным рэлеевским отражением, комбинация рэлеевского отражения и отражения от ВБР, а также гибридные иттербий-ВКР лазеры и усилители на основе активных градиентных волокон. В результате выполнения проекта будут разработаны новые экспериментальные и численные методы анализа многомодовых пучков, новые фундаментальные знания о преобразовании и модовой динамике пучков в многомодовых волокнах, а также продемонстрировано применение этих знаний для разработки базовых принципов и новых конфигураций ВКР лазеров и усилителей на основе многомодовых волокон, которые позволяют получить стабильные высокомощные пучки с высоким качеством на выходе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Фан Ч., Чен Й., Яо Т., Ксиао Х., Сюй Ц., Ленг Дж., Жу П., Вольф А.А., Немов И.Н., Кузнецов А.Г., Каблуков С.И., Бабин С.А. Over 400 W graded-index fiber Raman laser with brightness enhancement Optics Express, Vol. 29, Issue 13, pp. 19441-19449 (год публикации - 2021)
10.1364/OE.427605

2. Кузнецов А.Г., Каблуков С.И., Подивилов Е.В., Бабин С.А. Mechanisms of beam clean up at Raman conversion of multimode radiation in graded-index fibers Proceedings of SPIE, vol. 11670: Nonlinear Frequency Generation and Conversion: Materials and Devices XX (event: SPIE PW – LASE, March 6-11, 2021), 116700K (год публикации - 2021)
10.1117/12.2577685

3. Харенко Д.С., Гервазиев М.Д., Кузнецов А.Г., Вабниц С., Подивилов Е.В., Бабин С.А. Mode decomposition of output beam in LD-pumped graded-index fiber Raman laser Proceedings of SPIE, 11890, Advanced Lasers, High-Power Lasers, and Applications XII, 118901B (год публикации - 2021)
10.1117/12.2601512

4. Немов И.Н., Кузнецов А.Г., Вольф А.А., Каблуков С.И, Бабин С.А. HIGHLY-REFLECTING FIBER BRAGG GRATINGS FOR MULTIMODE FIBER RAMAN LASERS IX International Symposium “MODERN PROBLEMS OF LASER PHYSICS - MPLP-2021, technical digest, ст. 121-122 (год публикации - 2021)

5. Харенко Д.С., Гервазиев М.Д., Жданов И., Подивилов Е.В., Бабин С.А., Вабниц С. Mode decomposition of Kerr self-cleaned beams by phase only SLM Proceedings of SPIE, 11671, Real-time Measurements, Rogue Phenomena, and Single-Shot Applications VI, 1167105 (год публикации - 2021)
10.1117/12.2578240

6. Бабин С.А., Кузнецов А.Г., Сидельников О.С., Каблуков С.И., Подивилов Е.В., Федорук М.П., Вабниц С. Mechanism of brightness enhancement in multimode LD-pumped graded-index fiber Raman lasers OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2021), paper JM3A.12 (год публикации - 2021)

7. Харенко Д.С., Гервазиев М.Д., Волоси В.М., Кузнецов А.Г., Подивилов Е.В., Вабниц С., Бабин С.А. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МОДОВОЙ ДЕКОМПОЗИЦИИ К ИЗЛУЧЕНИЮ ВКР-ЛАЗЕРА НА ОСНОВЕ ГРАДИЕНТНОГО СВЕТОВОДА С ПРЯМОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ Фотон-экспресс, №6 (174), c.157–158 (год публикации - 2021)
10.24412/2308-6920-2021-6-157-158

8. Чен Й., Фан Ч., Яо Т., Ксиао Х., Сюй Ц., Ленг Дж., Жу П., Кузнецов А.Г., Немов И.Н.,Вольф А.А., Каблуков С.И., Подивилов Е.В., Бабин С.А. Comparison of Multimode GRIN-Fiber Raman Lasers with FBG and Random DFB cavity LPHYS 2021, S8.2.1. (год публикации - 2021)

Публикации

1. Чен Й., Фан Ц., Яо Т., Ксяо Х., Ксу Д., Ленг Д., Жу П., Кузнецов А.Г., Немов И.Н., Вольф А.А., Каблуков С.И., Подивилов Е.В., Бабин С.А. Comparison of Multimode GRIN-Fiber Raman Lasers with FBG and Random DFB cavity Journal of Physics: Conference Series, J. Phys. Conf. Ser, 2249, 012015 (2022) (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2249/1/012015

2. Манджини Ф., Гервазиев М., Ферраро М., Харенко Д.С., Зителли М., Сан Я., Кудерк В., Подивилов Е.В., Бабин С.А., Вабниц С. Statistical mechanics of beam self-cleaning in GRIN multimode optical fibers Optics Express, Optics Express Vol. 30, Issue 7, pp. 10850-10865 (2022) (год публикации - 2022)
10.1364/OE.449187

3. Сидельников О.С., Подивилов Е.В., Федорук М.П,, Кузнецов А.Г., Вабниц С., Бабин С.А. Mechanism of brightness enhancement in multimode LD-pumped graded-index fiber Raman lasers: numerical modeling Optics Express, Optics Express Vol. 30, Issue 5, pp. 8212-8221 (2022) (год публикации - 2022)
10.1364/OE.449773

4. Гервазиев М.Д., Ферраро М., Подивилов Е.В., Манджини Ф., Харенко Д.С., Зителли М., Федорук М.П., Бабин С.А., Вабниц С. Mode decomposition method for investigating the nonlinear dynamics of a multimode beam Автометрия (год публикации - 2023)

5. Кузнецов А.Г., Немов И.Н., Вольф А.А., Каблуков С.И., Бабин С.А. Cascaded Raman lasing in a multimode diode-pumped graded-index fiber Proceedings of SPIE, Proceedings of SPIE, vol.11985: Nonlinear Frequency Generation and Conversion: Materials and Devices XXI, 1198504 (год публикации - 2022)
10.1117/12.2610384

6. Фан Ц., Яо Т., Ксяо Х., Ксю Д., Ленг Д., Жу П., Вольф А.А., Немов И.Н., Кузнецов А.Г., Бабин С.А. Over 700 W random distributed feedback Raman laser based on graded-index fiber with brightness enhancement Proceedings of SPIE, Proceedings of SPIE Volume PC11981, Fiber Lasers XIX: Technology and Systems; PC119810C (2022) (год публикации - 2022)
10.1117/12.2606787

7. Гервазиев М.Д., Харенко Д.С., Кузнецов А.Г., Подивилов Е.В., Вабниц С., Бабин С.А. Using phase only SLM for a fast mode decomposition of graded-index multimode Raman fiber laser emission 30th ANNUAL INTERNATIONAL LASER PHYSICS WORKSHOP (July 18-22, 2022), Program, 30th ANNUAL INTERNATIONAL LASER PHYSICS WORKSHOP (July 18-22, 2022), Program, paper S8.1.3 (год публикации - 2022)

8. Бабин С.А. From discovery of random Raman lasing via natural Rayleigh scattering in ultralong fibers to unique lasing and sensing features of multimode and multicore fibers with fs-inscribed regular and random 3D refractive-index structures SOEI Forum, №210 (18 October 2022, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China), SOEI Forum, №210 (18 October 2022, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China), (год публикации - 2022)

9. Гервазиев М.Д., Харенко Д.С., Кузнецов А.Г., Подивилов Е.В., Вабниц С., Бабин С.А. Mode decomposition of pump and Stokes emission of graded-index multimode Raman fiber laser International Conference Laser Optics (ICLO) 2022 (St.-Petersburg, 20-24 June 2022), Tech. Program, International Conference Laser Optics (ICLO) 2022 (St.-Petersburg, 20-24 June 2022), Tech. Program, paper WeR1-28 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Сидельников О,С., Кузнецов А.Г., Харенко Д.С., Гервазиев М.Д., Подивилов Е.В., Федорук М.П., Вабниц С., Бабин С.А. Transverse mode distribution in multimode diode-pumped Raman fiber laser Journal of the Optical Society of America B, Vol. 40, Issue 12, pp. 3269-3275 (2023) (год публикации - 2023)
10.1364/JOSAB.503609

2. Манджини Ф., Ферраро М., Сан Й., Гервазиев М., Парра-Ривас П., Харенко Д.С., Кудер В., Вабниц С. Modal phase-locking in multimode nonlinear optical fibers Optics Letters, Vol. 48, Issue 14, pp. 3677-3680 (год публикации - 2023)
10.1364/OL.494543

3. Фан С., Яо Т., Ксяо Х., Ксю Д., Дутп Д, Жу П., Вольф А.А., Немов И.Н,, Кузнецов А.Г., Каблуков С.И., Бабин С.А. Power scaling over kilowatt of random distributed feedback Raman fiber laser based on multimode graded-index fiber Proceedings SPIE v.12310: Advanced Lasers, High-Power Lasers, and Applications XIII, Proceedings Volume 12310, Advanced Lasers, High-Power Lasers, and Applications XIII; 123100M (год публикации - 2023)
10.1117/12.2643647

4. Харенко Д.С., Ревякин А.А., Гервазиев М.Д., Ферраро М., Манджини Ф., Бабин С.А. Accuracy of Holographic Real-Time Mode Decomposition Methods Used for Multimode Fiber Laser Emission Photonics, vol. 10, no. 11, p. 1245, Nov. 2023 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10111245

5. Серебренников К.В., Гервазиев М.Д., Кохановский А.Ю., Неваев М.К., Ревякин А.А., Харенко Д.С. Влияние шумов на процесс реконструкции многомодового пучка методом модовой декомпозиции Квантовая электроника, т.53, №12 (год публикации - 2023)

6. Фан Ч., Яо Е., Ксяо Х., Ксю Дж., Ленг Дж., Жу П., Кузнецов А.Г., Вольф А.А., Немов И.Н., Бабин С.А. Modal dynamics of random Raman lasing in multimode graded-index fibers Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2023)

7. Фан Ч., Яо Т., Ву Дж., Ксяо Х., Ксю Дж., Жу П., Вольф А.А., Немов И.Н., Кузнецов А.Г., Бабин С.А. Investigation of pump scheme on the dynamics of brightness-enhanced random Raman fiber lasers Optics & Laser Technology (год публикации - 2023)