Учёные впервые зафиксировали в реальном времени рождение сверхбыстрых лазерных импульсов

Исследователи раскрыли процесс накопления и излучения света в осцилляторах Мамышева с гармонической синхронизацией мод. Автор: Hius1

Осциллятор Мамышева (МО) — это тип волоконного лазера, способного генерировать высокоэнергетические лазерные импульсы с регулируемой частотой повторения. Это лазер с синхронизацией мод, использующий свет, циркулирующий в замкнутом резонаторе, для создания лазерного излучения. Гармоническая синхронизация мод (HML) — это усовершенствованный процесс, при котором за один проход света генерируется несколько лазерных импульсов. МО с HML применяются в таких областях, как оптическая связь, метрология частоты и микрообработка материалов.

Несмотря на растущее применение HML МО, изучение динамики накопления света в таких лазерах оставалось экспериментально сложной задачей. В недавнем исследовании, опубликованном в Journal of Lightwave Technology, учёные из Хунаньского университета (Китай) раскрыли динамику формирования HML в волоконном МО с легированием эрбием. Им удалось получить импульсы HML разного порядка. Во всех случаях отношение сигнал/шум превышало 80 дБ, что свидетельствует о высокой стабильности выходного сигнала. Кроме того, исследователи изучили переходные процессы при запуске HML в МО.

«Динамика запуска HML в МО, исследованная с помощью техники растяжения во времени с преобразованием Фурье (TS-DFT), показала, что генерация HML обусловлена не расщеплением одиночного импульса, а усилением множества начальных импульсов в осцилляторе», — поясняет автор исследования доктор Нин Ли.

С помощью тщательно спланированных экспериментов учёные выделили пять различных сверхбыстрых фаз, происходящих между введением начальных импульсов в резонатор и стабильным излучением HML-импульсов из МО. Эти фазы включают релаксационные колебания, работу с множеством импульсов, коллапс и восстановление импульсов, нестабильный HML и стабильный HML-режим. Примечательно, что выявленный процесс генерации стабильного HML отличается от общепринятой модели расщепления импульсов, которая считалась основной причиной динамики излучения в МО. Экспериментальные результаты были подтверждены численным моделированием.

Используя технику TS-DFT, исследователи в реальном времени наблюдали за эволюцией спектров в резонаторе МО и провели детальный анализ динамики процесса инициации HML. Наблюдения показали, что генерация HML в МО определяется не классическим эффектом расщепления одиночного импульса, а усилением множества начальных импульсов внутри осциллятора.

«Наши экспериментальные и модельные результаты показали, что при таких условиях начальные импульсы в резонаторе эволюционируют в стабильные независимые импульсы благодаря процессам усиления и перераспределения энергии, что в итоге приводит к стабильному HML-состоянию в резонаторе», — отмечает доктор Ли. «Результаты нашего исследования углубляют понимание работы HML в МО и могут предложить активный способ управления динамикой переходных импульсов в высокопроизводительных сверхбыстрых лазерных системах», — добавляет он.

В целом, это исследование расширяет наше понимание динамики накопления света в МО, особенно для продвинутых лазеров с HML. Более того, работа ставит под сомнение традиционные представления о процессах накопления и излучения света в МО.

Помимо прояснения фундаментальной физики, полученные результаты могут привести к улучшенным конструкциям МО, что расширит их применение в различных областях.

Источники:

Материалы предоставлены Институтом инженеров электротехники и электроники. Примечание: содержание может быть отредактировано для стиля и длины.

Нин Ли, Сянчжэнь Хуан, Цзядун У, Тяньтянь Чжоу, И Фэн, Юань Хэ, Дунъян Лю, Пинхуа Тан, Ли Ли Мяо, Чуцзюнь Чжао, Шуанчунь Вэнь. Исследование динамики формирования гармонически синхронизированного осциллятора Мамышева. Journal of Lightwave Technology, 2025; 1 DOI: 10.1109/JLT.2025.3570159