В России разработали новый способ повышения мощности волоконных лазеров

Ученые из Института прикладной физики (ИПФ) РАН предложили новый способ повышения мощности волоконных лазеров с помощью специальных волоконно-оптических световодов с несколькими сердцевинами. Разработка позволит создать компактные и надежные волоконные лазерные системы с высокой пиковой мощностью, востребованные в таких областях, как высокоточная обработка материалов и лазерная микрохирургия. Исследование проводилось при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Волоконно-оптические световоды из кварцевого стекла широко используются для создания компактных лазерных источников излучения. Сейчас в лазерных системах применяются световоды с одной сердцевиной, по которой идет свет. Предельная мощность, которая может быть достигнута в лазерах на основе таких световодов, ограничена порогом разрушения материала сердцевины. А чем выше мощность, генерируемая лазером, тем шире круг его применений.

Для повышения мощности таких лазеров разрабатываются и исследуются световоды с несколькими сердцевинами в одной оболочке. А для эффективного использования излучения, выходящего из многосердцевинного световода, необходимо научиться собирать его в один лазерный луч, то есть осуществить когерентное суммирование излучения.

Именно эту задачу удалось решить сотрудникам ИПФ РАН. Они нашли способ эффективно преобразовать излучение на выходе многосердцевинного волокна в лазерный луч высокого качества. Оказалось, что для этого сердцевины световода нужно расположить в узлах квадратной, а не шестиугольной решетки, как это делалось раньше. Кроме того, необходимо особым образом подготовить излучение в световоде: положительные и отрицательные амплитуды поля в сердцевинах должны чередоваться, как клетки на шахматной доске.

«Использование многосердцевинных волокон и нашего нового метода когерентного суммирования излучения может в перспективе существенно упростить и удешевить создание волоконных лазеров с высокой средней и пиковой мощностью, а это сделает их более привлекательными для применений в таких областях, как, например, лазерная обработка материалов», — говорит заведующий лабораторией квантовой и нелинейной оптики сильно локализованных полей ИПФ РАН Алексей Андрианов.

Для когерентного суммирования другие научные группы использовали массив микролинз. Это сложный и дорогой элемент, требующий высокой точности при изготовлении. Для реализации метода, предложенного в ИПФ РАН, массив линз оказался не нужен — достаточно одной обычной линзы и специально спроектированной системы плоских зеркал. В эксперименте эффективность суммирования излучения составила более 80%, при этом качество выходного оптического пучка было лишь немногим хуже достижимого в идеальных условиях. По теоретическим оценкам, при оптимизации схемы эффективность может быть увеличена до 99%.

Полученные результаты помогут при создании компактных и надежных волоконных лазерных систем с высокой пиковой мощностью, которые востребованы для многих приложений, например, в области высокоточной обработки материалов и лазерной микрохирургии.

Результаты исследования опубликованы в статье в журнале Optics Express.