Новые методы синтеза сильно локализованных конфигураций оптического поля с помощью когерентного суммирования пучков

Цель: разработка и исследование методов создания высокоинтенсивных остросфокусированных лазерных полей с помощью когерентного сложения пучков в волоконно-оптической системе с многими каналами. Как одна из перспективных концепций на пути к созданию лазерных систем со сверхвысокой пиковой интенсивностью является идея, основанная на когерентном сложении пучков от большого числа (сотни и тысячи) волоконных усилителей чирпированных импульсов. Данная концепция позволяет получить революционное повышение частоты повторения сверхмощных систем благодаря эффективному распределению тепловых нагрузок, тогда как существующие на данный момент системы работают в разовом или редко периодическом режиме, что связано с принципиальными трудностями отвода тепла от активных элементов. 

Задачи: 

1. Разработка многоканальной задающей лазерной системы с управляемыми параметрами каналов 

2. Разработка высокоэффективных оптических систем для когерентного сложения пучков

3. Разработка систем на основе многосердцевинных световодов 

4. Квантовые аспекты когерентного суммирования

Основные результаты

Экспериментально продемонстрировано высокоэффективное когерентное суммирование широкополосных импульсов на выходе многосердцевинного волокна (МСВ) с  массивом 5x5 связанных сердцевин, основанное на предложенном нами принципе противофазного суммирования и использовании устойчивой противофазной моды МСВ. 
В эксперименте использовано волокно с 25 сердцевинами, в которое запускался свет от широкополосного  источника ультракоротких импульсов на длине волны 1.03 мкм. От большинства систем когерентного суммирования волоконных каналов наша система отличается отсутствием микромассива линз. Кроме того, не требовалась система обратной связи для поддержания фаз в каналах. Эффективность суммирования противофазной супермоды составила 81%, а качество пучка составило M2=1.3. В численном моделировании мы показали, что эффективность суммирования противофазной супермоды с учетом искажений, вызванных реальным строением МСВ, может достигать 93%, а качество пучка – M2=1.1. 
N. A. Kalinin, E. A. Anashkina, G. Leuchs, and A. V. Andrianov, Opt. Express 30(2), 1013–1020 (2022).

 

Разработана схема когерентного суммирования пучков волоконных усилителей в дальней зоне. Разработана оптоэлектронная схема для детектирования и стабилизации фазы нескольких мощных лазерных пучков относительно одного опорного пучка, обеспечивающая поддержание фазы на уровне l/100 в диапазоне частот до ~1 кГц. Схема построена на основе стандартных коммерчески доступных компонентов и может быть тиражирована на большое число каналов.

Предложен новый эффективный метод когерентного суммирования множества оптических излучателей, расположенных в одной плоскости и имеющих невысокий коэффициент заполнения по апертуре (например, излучения от массива плотно упакованных одномодовых оптических волокон). Метод позволяет получить более 98% эффективность когерентного суммирования, недостижимую в известных схемах для данной конфигурации оптических источников. 

A. Andrianov, N. Kalinin, E. Anashkina, and G. Leuchs, Optics Letters 45(17), 4774–4777 (2020).

 

Проведено теоретическое исследование особенностей свойств излучения, возникающих при учете квантовой природы света при когерентном суммировании лазерных пучков. Найден стандартный квантовый предел шума для излучения, получающегося при когерентном суммировании пучков с системе с обратной связью.

 C.R. Muller, F. Sedlmeir, V.O. Martynov, Ch. Marquardt, A.V. Andrianov, G. Leuchs, “The standard quantum limit of coherent beam combining,” New Journal of Physics 21, 093047 (2019)