Інститут прикладної фізики ран

Багатоканальні твердотільні лазерні системи з когерентним складанням пучків випромінювання

Одним з найбільш перспективних шляхів створення лазерів з високою потужністю (як в середньому по часу, так і в піку імпульсів) є когерентне додавання пучків багатоканальних лазерних систем. Когерентне додавання випромінювання N підсилюють лазерних каналів дозволяє збільшувати потужність в пучку з малої расходимостью пропорційно числу каналів (при цьому пріосевая інтенсивність сумарного оптичного пучка наростає як N 2). З використанням когерентного складання в останні роки були побудовані твердотільні лазерні системи з середньою по часу потужністю понад 100 кВт в пучку високої якості - найбільш потужні з існуючих в світі твердотільних систем.
В результаті досліджень механізмів зміни показника заломлення лазерних кристалів і стекол О. Л. Антиповим з співробітниками був реалізований новий метод когерентного складання волоконних лазерних систем. В його основі лежить ефект зміни показника заломлення в алюмосилікатних або фосфоросілікатних световодах, активованих іонами Yb 3+. Tm 3+. Nd 3+ (використовуються в якості активного середовища волоконних лазерів) під дією резонансної хвилі накачування або насичення (що знімає інверсно населеність). Реалізовано когерентне додавання випромінювання двох ербіевого волоконних підсилюючих каналів, в яких функцію керованого елемента виконувало додаткове лазерне волокно, активований іонами Yb 3+. Управління показником заломлення иттербиевой волокна здійснювалося випромінюванням накачують сигналу (на довжині хвилі 980 нм) і сигналу насичення (на довжині хвилі 1064 нм). Використання алгоритму амплітудної модуляції сигналу і синхронного детектування в колі зворотного зв'язку забезпечувало високу швидкодію, що дозволило компенсувати шуми в смузі більше 10 кГц і призвело до когерентного складання випромінювання двох волоконних підсилювачів з ефективністю приблизно 95%. Запропонований метод резонансно-оптичного управління забезпечує більш низький рівень шуму і більшу швидкодію (в порівнянні з методом механічних деформацій волокна), а на відміну від електрооптичних управління дозволяє створювати повністю волоконну лазерну систему.

Схема двоканального ербіевого підсилювача з когерентним складанням каналів
шляхом резонансного управління показником заломлення иттербиевой підсилювача

Інший метод когерентного складання, досліджуваний в ІПФ, пов'язаний з використанням електрооптичних модуляції показника заломлення кристала LiNbO3. володіє рекордною Електрооптичного сприйнятливістю. Висока швидкодія електрооптичних модуляторів волноводного типу, узгоджених з волоконно-лазерною системою, дозволяє відстежувати дуже швидкі зміни оптичного шляху потужних лазерних пучків і в підсумку компенсувати широкосмугові шумові спотворення.

ІПФ РАН спільно з Інститутом оптики атмосфери СО РАН проводить моделювання поширення потужного випромінювання багатоканальної лазерної системи в атмосфері. З'ясувалося, що використання техніки когерентного складання здатне забезпечити фокусування інтенсивного лазерного випромінювання на віддаленій мішені навіть в умовах сильних атмосферних спотворень пучка.
Співробітники ИПФ беруть участь в міжнародній програмі ICAN (International Coherent Amplification Network), спрямованої на створення унікальної лазерної системи з високою середньою і пікової потужністю. З використанням техніки когерентного складання випромінювання багатоканальної лазерної системи, що включає волоконні і твердотільні підсилювачі, в рамках програми ICAN передбачається досягти оптичної потужності мегаватного рівня (в середньому по часу) в пучках високої якості. Така лазерна система, за параметрами випромінювання набагато перевершує всі існуючі в світі, призначена для прискорення елементарних частинок і досягнення їх рекордних енергій в коллайдерах нового покоління.