: 16 авг 2012 , В поисках начала всех начал , том 45, №3

Лазер без зеркал

Устройство лазера сейчас знает даже школьник. С лазерами мы сталкиваемся практически на каждом шагу – в магазинах при сканировании штрих-кодов, при воспроизведении и чтении компакт-дисков, при печати на лазерных принтерах. Широко используются лазеры и в промышленности – для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов.

Известно, что для лазерной генерации нужна активная среда, атомы которой переведены в возбужденное состояние с помощью накачки, и резонатор, который позволяет генерировать когерентное излучение. Среды могут быть разными – газы и плазма, жидкости и твердые тела (полупроводники, кристаллы и стекла). Возбуждение атомов активной среды в основном осуществляется электрическим током или светом, получаемым от ламп или светодиодов, – в этом случае говорят об оптической накачке.

Резонатор обычно состоит из двух зеркал, установленных параллельно друг другу. Зеркала отражают свет назад в активную среду, и если его усиление за счет вынужденного излучения возбужденными атомами превышает потери, то возникает генерация и мощность излучения резко возрастает. Однако мощность не может расти до бесконечности и стабилизируется на уровне, определяемом эффектом насыщения усиления – усиление в стационарном режиме становится равным потерям в резонаторе.

Резонатор и сам лазер не могут быть очень длинными, так как пучок света при распространении расширяется из-за дифракции. Чем меньше размер пучка, тем сильнее его расходимость и, соответственно, больше потери на зеркалах. Чтобы устранить дифракционные потери при расхождении пучка, можно использовать полностью закрытый резонатор, разместив в промежутке между зеркалами волновод. В качестве волновода может выступать, например, волоконный световод. В последнее время лазеры на основе оптоволокна получили широкое распространение.

Оптоволоконная революция

Как же устроен волоконный световод? Его сердцевина изготовлена из легированного кварцевого стекла и имеет повышенный показатель преломления. Диаметр сердцевины составляет около 10 мкм, диаметр внешней стеклянной оболочки порядка 100 мкм. Внешняя оболочка покрывается пластиком. В таком волноводе свет распространяется практически без потерь. Незначительные потери возникают из-за рэлеевского рассеяния на субмикронных неоднородностях показателя преломления, которые всегда есть в стекле. Коэффициент потерь уменьшается с ростом длины волны: минимум потерь в пассивных волокнах, используемых в телекоммуникациях, достигается вблизи ~1,55 мкм (инфракрасное излучение) и составляет около 5 % исходной мощности на километр волокна.

Другим важным свойством волоконных световодов является фоточувствительность: если облучать сердцевину волокна ультрафиолетовым излучением, можно локально изменять показатель преломления. Периодические изменения интенсивности, полученные например, при помощи интерференции двух пучков ультрафиолета, позволяют сформировать в сердцевине световолокна периодическую структуру – так называемую волоконную брэгговскую решетку (ВБР), которая отражает свет с определенной длиной волны за счет конструктивной интерференции дифрагирующих пучков. Коэффициент отражения такой решетки может превышать 99 %. Брэгговскую решетку можно использовать в качестве узкополосных внутриволоконных лазерных зеркал, при этом они выдерживают большую мощность и «живут» много лет.

Простейший вариант волоконного лазера представляет собой отрезок волоконного световода с сердцевиной, легированной ионами редкоземельных элементов (иттербия, эрбия и др.), на концах которого сформированы брэгговские решетки. Некогерентное излучение лазерного диода накачки заводится в волокно через ответвитель и переводит ионы редкоземельной примеси в возбужденное состояние, создавая таким образом усиливающую среду. Волоконные брэгговские решетки, отражающие свет на резонансной частоте, формируют резонатор лазера непосредственно в волоконном световоде. Реализация полностью волоконной схемы привела к революции в лазерной технике – такой лазер не требует юстировки зеркал, обладает высокой эффективностью и стабильностью генерации при высоком качестве пучка. В последнее десятилетие волоконные лазеры активно развивались в технологическом плане и получили широкое распространение на практике, в первую очередь в оптической связи и обработке материалов.

Лазер длиной в 300 км

Наиболее яркие достижения лаборатории волоконных лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН касаются изучения двух предельных случаев: очень коротких и очень длинных волоконных лазеров. Если в активном волокне длиной всего несколько сантиметров сформировать брэгговскую решетку, то мы получим лазер с распределенной обратной связью (так называемый РОС-лазер). В нем достигается очень устойчивая и эффективная генерация излучения одной определенной длины волны.

Обратная ситуация рассматривалась по схеме лазера на основе пассивного одномодового волокна, усиление в котором достигается за счет эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) при распространении по волокну излучения накачки.

В такой схеме можно получить распределенное усиление на большой длине оптоволокна, а с помощью брэгговских решеток, отражающих излучение на его концах, создать линейный резонатор.

До каких же пределов возможно увеличение длины волоконного лазера? Работа начиналась с реализации лазеров с длиной резонатора единицы, а затем десятки километров (Babin, 2008). В 2009 г. совместно с коллегами из британского университета Астон был достигнут предел удлинения линейного резонатора – 270 км (Turitsyn et al., 2009). Оказалось, что между отражающими волоконными брэгговскими решетками, разнесенными на такое большое расстояние, все еще формируется стоячая электромагнитная волна с четко выраженными спектральными линями (модами), что само по себе удивительно. Поразительно, но и при дальнейшем увеличении длины, до 300 км и более, лазер тоже работает, правда, в «безмодовом» режиме.

Было высказано предположение, что к генерации в этом случае приводит рэлеевское рассеяние на субмикронных неоднородностях показателя преломления – то самое, что определяет синий цвет неба над головой. Хотя такое рассеяние происходит во все стороны, часть излучения, рассеянного назад, попадает обратно в световод и распространяется во встречном направлении. Суммарный эффект рэлеевского отражения достаточно мал, на уровне 0,1 %, но если в волокне создать распределенное усиление, например за счет вынужденного комбинационного рассеяния, усиленное рассеянное излучение может быть достаточным для возникновения генерации.

Самоорганизация лазерной генерации

Для проверки гипотезы был выполнен специальный эксперимент, в котором в волокне длиной 84 км создавалось распределенное ВКР-усиление и были приняты меры по устранению паразитных отражений от торцов и соединений волокна. Оказалось, что при превышении некоторого порога по мощности накачки с двух концов волокна наблюдается стационарная лазерная генерация. Поскольку в кварцевом стекле линия вынужденного комбинационного рассеяния имеет два локальных максимума, в генерации наблюдаются либо две линии, 1557 и 1567 нм, либо одна из них – в зависимости от мощности накачки. Эффективность генерации в такой системе сравнима с эффективностью обычных ВКР-лазеров. При этом было доказано, что эффект возникает благодаря случайной распределенной обратной связи (СРОС), возникающей из-за рэлеевского рассеяния. Такой СРОС-лазер можно представить в виде слабоотражающей брэгговской решетки показателя преломления со случайной амплитудой и случайным расстоянием между узлами в длинной слабоусиливающей среде. Удивительно, но при этом ширина и форма генерирумого спектра примерно соответствует спектру обычных волоконных лазеров с узкополосными зеркалами, т. е. ВБР.

Отметим еще одну важную особенность СРОС-лазера: генерируемое в определенном месте волокна лазерное излучение локально истощает энергию излучения накачки, и это создает еще одну обратную связь. Такая связь принципиально меняет механизм генерации: открытый в продольном направлении случайный распределенный резонатор становится адаптивным и самоорганизующимся, что влияет на условия насыщения генерации, конкуренцию разных частотных компонент и, как следствие, на форму спектра и статистические свойства излучения. Эти вопросы фундаментального характера сейчас активно изучаются – после публикации наших результатов в 2010 г. (Turitsyn et al., 2010) этой проблемой занялось еще несколько групп (см., напр. (Andreasen, 2011)), и уже можно говорить о том, что научное сообщество признало предложенную схему новым типом лазерной генерации.

Из хаоса возникает порядок

Идеологически эта проблема близка активно развивающейся в последнее время концепции «случайных» лазеров (random lasers) – генерации в разупорядоченных усиливающих средах, таких как порошки лазерных кристаллов или полупроводников, суспензии лазерных красителей с рассеивающими наночастицами и др.

Впервые концепция была сформулирована в работе В. Г. Летохова (1967). В отличие от обычных лазеров, где свойства генерируемого излучения (спектр и форма выходного пучка) определяются резонатором, в «случайных» лазерах оптического резонатора в привычном понимании нет – их характеристики определяются процессами многократного рассеяния в разупорядоченной усиливающей среде. «Случайные» лазеры обладают предельно простой конструкцией, но обычно излучают в импульсном режиме, имеют сложный случайный спектр генерации и нестационарную направленность пучка.

Одним из способов улучшения их характери­стик является переход к меньшей размерности. Было показано, что одномерные случайные среды: набор пластин случайной толщины или суспензия красителя с наночастицами в полом световоде (de Matos, 2007) – позволяют формировать направленный пучок, как в обычных лазерах, однако временные и спектральные характеристики в таком случае хуже.

В этом смысле созданный волоконный лазер со случайной распределенной обратной связью (СРОС) можно рассматривать как одномерный случайный лазер. При этом он отличается от объемных «случайных» лазеров узким спектром, высокой стабильностью и высоким качеством спектральных характеристик пучка, определяющимися волноводными свойствами оптоволокна. А в отличие от обычных волоконных лазеров с регулярными (точечными и распределенными) отражателями рэлеевские СРОС-лазеры генерируют «безмодовое» излучение, не имеют принципиальных ограничений по длине, могут достаточно просто перестраиваться по частоте и генерировать на многих линиях в разных спектральных диапазонах.

Уникальные свойства волоконных рэлеевских СРОС-лазеров открывают новый класс лазерных источников, которые могут найти применение как в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, так и на практике, особенно в сверхдальней оптической связи и распределенных сенсорных системах. Благодаря лазерной генерации в оптоволоконной линии связи, которая служит накачкой ВКР-усилителя, распределенного вдоль всей линии, информационный сигнал может передаваться почти без потерь (quasi-lossless transmission) в широкой полосе. На этой основе возможно создание принципиально новой системы высокоскоростной передачи информации на большие расстояния без промежуточных усилителей.

Литература

Басов Н. Г., Афанасьев Ю. В. Световое чудо века. М.: Педа­гогика, 1984.

Летохов В. С. Генерация света рассеивающей средой с отрицательным резонансным поглощением // ЖЭТФ. 1967. Т. 53. С. 1442—1444.

Никулин М. А., Бабин С. А., Дмитриев А. К. и др. Иттербиевый волоконный лазер с распределенной обратной связью с низким уровнем частотных шумов // Квант. электроника. 2009. Т. 39. № 10. C. 906—910.

Andreasen J., Cao H. Spectral behavior of partially pumped weakly scattering random lasers // Opt. Express. 2011. V. 19. № 4. P. 3418—3433.

Babin S. A., Karalekas V., Podivilov E. V. et al. Turbulent broadening of optical spectra in ultralong Raman fiber lasers // Phys. Rev. A. 2008. V. 77. № 3, 033803.

de Matos C. J. S., Menezes L. S., Brito-Silva A. M. et al. Random Fiber Laser // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 99, 153903.

El-Taher A. E., Harper P., Babin S. A. et al. Effect of Rayleigh-scattering distributed feedback on multiwavelength Raman fiber laser generation // Optics Letters. 2011. V. 36. № 2. P. 130—132.

Turitsyn S. K., Ania-Castan J. D., Babin S. A. et al.

270-km ultralong Raman fiber laser // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103, 133901.

Turitsyn S. K., Babin S. A., El-Taher A. E. et al. Random distributed feedback fibre laser // Nature Photonics. 2010. V. 4. № 4. P. 231—235.

: 16 авг 2012 , В поисках начала всех начал , том 45, №3