Лазерный мир

Анашкина Елена Александровна // Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном
учреждении «Федеральный исследовательский центр
Институт прикладной физики Российской академии наук»
(ИПФ РАН, г. Нижний Новгород), 2022

Разработка и исследование источников когерентного оптического излучения с контролируемыми параметрами на основе волокон и микрорезонаторов, а также развитие методов управления их характеристиками представляют огромный интерес для приложений и для фундаментальных задач. Сильная локализация электромагнитного поля в таких диэлектрических структурах даже при невысоких средних мощностях позволяет получать высокие интенсивности, необходимые для реализации нелинейно-оптических эффектов, обусловленных керровской и рамановской кубичными нелинейностями стекла [1,2].

В легированных активными редкоземельными ионами (РЗИ) волокнах и микрорезонаторах могут реализовываться лазерные процессы при относительно малых пороговых мощностях накачки [3]. В настоящее время самым известным приложением волоконных систем являются телекоммуникации [4]. Волоконные лазерные источники также применяются в медицине, спектроскопии, прецизионной обработке материалов и др. [5]. Кроме того, волоконные системы играют важную роль в развитии квантовых технологий [6]. Область применимости волоконных источников постоянно расширяется благодаря достижению новых характеристик, например, получению когерентного излучения в малоосвоенных спектральных диапазонах за счет лазерной генерации, а также за счет нелинейно-оптического преобразования в специальных волокнах.

Хорошо известно, что режимы нелинейно-оптического преобразования сильно зависят от дисперсии групповых скоростей используемых волокон [1]. Совместное действие нелинейности и дисперсии может приводить к существованию устойчивых структур поля (например, солитонов в среде с аномальной дисперсией), а также к преобразованию исходного излучения в широком диапазоне параметров [1]. Оптические волокна используются для генерации суперконтинуума (СК), генерации частотно-смещаемых рамановских солитонов, нелинейной компрессии импульсов, генерации дисперсионных волн [1,7,8]. Управление дисперсией может осуществляться благодаря созданию волокон со специальным дизайном с контролируемым волноводным вкладом [1,7,8]. Разработка и исследование источников когерентного излучения на основе таких волокон является перспективным направлением.

Известными приложениями микрорезонаторов с модами шепчущей галереи (МШГ) являются сенсоры, оптическая фильтрация и переключение, стабилизация частоты, обужение лазерной линии, а также детектирование и дистанционная диагностика различных молекул [2,3,9-12]. Микрорезонаторы могут использоваться для генерации неклассических состояний света [13]. В нелинейных микрорезонаторах возможна генерация керровских оптических частотных гребенок, представляющих собой последовательности ультрако- ротких импульсов (УКИ), спектр которых состоит из эквидистантных узких линий [14]. Оптические частотные гребенки значительно расширяют область применения данного класса фотонных устройств. Они могут использоваться для многих задач: прецизионной метрологии, спектроскопии, квантовой оптики, телекоммуникаций [13-16]. Благодаря варьированию геометрических параметров микрорезонаторов, можно эффективно управлять дисперсионными и нелинейными свойствами, очень сильно влияя при этом на нелинейную динамику внутрирезонаторного излучения [2].

Традиционный материал для изготовления волокон и микрорезонаторов -кварцевое стекло — характеризуется высокой термической стойкостью, низким коэффициентом теплового расширения, химической стабильностью, стойкостью к воздействию лазерного излучения высокой интенсивности. Благодаря этим характеристикам, а также малым оптическим потерям в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, волокна на основе кварцевого стекла используются в самых различных оптических системах (например, [1,5,7,8,17-23]). Однако кварцевое стекло обладает значительными потерями на длинах волн >2.3 мкм, что сильно ограничивает применение волокон и микрорезонаторов на его основе в среднем ИК диапазоне (хотя и не исключает [24]). В среднем ИК диапазоне находится огромное количество спектров поглощения неорганических и органических молекул, что делает его особенно привлекательным при разработке сенсоров, систем дистанционного зондирования и диагностики, биомедицины, спектроскопии [15]. Но в настоящее время наблюдается дефицит недорогих компактных лазерных систем в среднем ИК диапазоне с регулируемыми параметрами. Поэтому разработка и исследование возможности создания таких систем на основе специальных волокон и микрорезонаторов является важной и актуальной проблемой. Для среднего ИК диапазона могут быть использованы так называемые низкотемпературные стекла, к которым, в том числе, относятся теллуритные и халькогенидные стекла [25-27]. Они имеют низкую температуру стеклования (~200-400 °С), поэтому к ним неприменимы многие технологии, существующие для кварцевого стекла, температура стеклования которого составляет ~1100 °С.

В настоящее время активно развиваются новые технологии для низкотемпературных стекол [25,26]. Теллуритные стекла на основе диоксида теллура Те02 прозрачны в ближнем и среднем ИК диапазонах (до ~5-6 мкм), обладают высокой химической устойчивостью, имеют высокий нелинейный показатель преломления п2 (в 10-30 раз больше, чем плавленый кварц), многие составы устойчивы против кристаллизации [25]. Халькогенидные бескислородные стекла состоят из одного или нескольких халькогенов Sе, Те) и таких химических элементов, как Аs, ве, Sb, Р, 1п, ва и др. Халькогенидные стекла характеризуются высокой химической устойчивостью, устойчивостью к атмосферной влаге, низкими оптическими потерями, широкой полосой прозрачности до ~10 мкм (а для отдельных составов и до ~20 мкм) [25,26]. Они обладают рекордно большим нелинейным показателем преломления (в ~100-500 раз большим,

Полное содержание на https://ipfran.ru/files/293/2021-anashkina-diss-doklad.pdf