В лаборатории волоконной оптики Института автоматики и электрометрии СО РАН под руководством члена-корреспондента РАН Сергея Алексеевича Бабина совершён значительный шаг в направлении совершенствования волоконных лазеров. Новый подход, предложенный исследователями, открывает широкие возможности для лазерных технологий и обещает революционизировать целый ряд применений в науке, медицине и промышленности.
Инновационная концепция волоконного лазера
Главная особенность разработки ученых ИАиЭ СО РАН заключается в использовании обычных, хорошо зарекомендовавших себя в телекоммуникациях, многомодовых пассивных световодов с градиентным профилем показателя преломления. Такие световоды отличаются доступностью и высокой надежностью в эксплуатации, что существенно снижает стоимость конечных лазерных систем.
В отличие от традиционных активных волоконных световодов с легированной иттербием одномодовой сердцевиной, которые обладают рядом технологических ограничений — высокой стоимостью, сложным изготовлением и склонностью к фотопотемнению при длительной эксплуатации — новое решение базируется на каскадном процессе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в этих пассивных многомодовых световодах. Данная технология позволяет преобразовывать излучение стандартных полупроводниковых диодов накачки низкого качества в превосходный по параметрам лазерный пучок с узким спектром и малой дифракционной расходимостью.
Механизм преобразования: каскадный процесс ВКР
Работа лазера построена по принципу каскадного нелинейного преобразования. На первом этапе широкополосное излучение диода накачки с длиной волны 915 нм преобразуется с помощью ВКР в первую стоксову компоненту (около 950 нм), что приводит к резкому улучшению параметра качества луча M² — с примерно 30 до 2,5. Ключевую роль здесь играет уникальная технология записи многомодовых брэгговских решеток в градиентном световоде с применением фемтосекундного лазера, позволяющая селективно фильтровать нежелательные моды и ‘очищать’ луч.
Дальнейшее каскадное преобразование во второй стоксовой компоненте (~990 нм), осуществляется этим же фрагментом световода. На этом этапе решающую роль играет случайная распределённая обратная связь, возникающая вследствие рэлеевского рассеяния. Благодаря этому качество пучка доводится практически до дифракционного предела (M² ≈ 1,6), а схема резонатора становится более простой и одновременно эффективной.
Преимущества и эффективность новой технологии
Использование рэлеевского рассеяния дало сразу несколько конкурентных преимуществ: качественное улучшение выходного лазерного излучения, повышение эффективности преобразования энергии, а также широкие возможности по перестройке длины волны генерации. В экспериментах достигнут диапазон работы источника 978–996 нм, причем максимальная дифференциальная эффективность преобразования составила рекордные 70% при выходной мощности до тридцати ватт.
Ещё одно значительное преимущество — возможность работы в диапазоне длин волн 950–1000 нм, который традиционно труднодоступен для классических иттербиевых волоконных лазеров. Таким образом, технология ИАиЭ СО РАН успешно закрывает сложную нишу, ранее считавшуюся слабо реализуемой.
Потенциал применения инновационного ВКР-лазера
Созданный коллективом Сергея Алексеевича Бабина лазер может использоваться как универсальный источник высококачественного излучения для накачки твердотельных и других волоконных лазеров. Особую актуальность данный тип генератора приобретает при необходимости получения сине-зелёного света в диапазоне 470–500 нм с помощью нелинейных преобразующих элементов.
Новинка способна заменить в ряде применений газоразрядные аргоновые лазеры, что позволит удешевить и упростить целый спектр технологических процессов в медицине, аналитике, био- и фотонике, визуализации, дисплеях и лазерном шоу. Благодаря гибкой настройке длины волны можно решать и нестандартные задачи, в том числе в биомедицинской визуализации.
Технологические перспективы и выводы
Яркость, широкая перестраиваемость длины волны и высокая преобразовательная эффективность нового ВКР-лазера с градиентным световодом и использованием рэлеевского рассеяния делают эту технологию крайне перспективной для внедрения в высокотехнологичные отрасли. Гибкость в применении, высокая повторяемость параметров и возможность интеграции в существующие волоконно-оптические системы позволяют рассматривать разработку ИАиЭ СО РАН в качестве серьёзной реальной альтернативы зарубежным аналогам.
Результаты работы демонстрируют высокий уровень научной и инженерной школы ИАиЭ СО РАН и открывают перед отечественной лазерной фотоникой новые горизонты. Команда Сергея Алексеевича Бабина продолжает активно совершенствовать технологии и уверенно двигается в направлении создания мощных, гибких и доступных источников света для самых разных сфер деятельности.
Авторитетность и вклад коллектива
Коллектив ИАиЭ СО РАН под руководством Сергея Алексеевича Бабина заслуженно занимает лидирующие позиции в области инновационной волоконной фотоники. Инициативность, высокий профессионализм и тесное взаимодействие с российскими и международными научными группами позволяют лаборатории непрерывно генерировать новые идеи и воплощать их в реальные технические решения, востребованные мировой наукой и промышленностью.
Их работа по созданию нового волоконного лазера на базе вынужденного комбинационного рассеяния и градиентных световодов с использованием рэлеевского эффекта — яркое тому подтверждение. Лаборатория продолжает исследования и внедрение своих уникальных находок в широкий спектр прикладных задач, укрепляя престиж российской науки и развивая лучшие традиции отечественной фотоники.
На фото: коллектив лаборатории. Фото предоставлено Сергеем Бабиным.
