2021

Механизм увеличения яркости пучка при ВКР-генерации в многомодовом градиентном световоде с диодной накачкой

Продемонстрировано ВКР-преобразование сильно-многомодового излучения диодной накачки с улучшением параметра качества пучка M² с ~30 до ~2 и 1.3 для 1 и 2 стоксова порядка соответственно, а яркость генерируемого пучка по сравнению с накачкой увеличивается в 73 раза (рекордное значение для лазеров данного типа) при выходной мощности >50 Вт на 976 нм. При этом профиль пучка накачки до порога генерации соответствует профилю градиентного световода (ГС), а выше порога в его центральной области формируется провал с шириной значительно большей ширины стоксовых пучков, форма которых близка к гауссовой и практически не меняется с ростом мощности.

Построена модель связанных мод с учетом основных физических процессов в ВКР-лазере. Сравнение с экспериментом показало, что помимо процесса ВКР на формирование стоксова пучка принципиальное влияние оказывают эффекты случайной и нелинейной связи поперечных мод при его распространении в 1-км ГС, а также селективное по модам отражение от выходной ВБР, записанной фс-импульсами в приосевой области ГС, а на пучок накачки эти эффекты оказывают слабое влияние. В результате впервые описан эффект увеличения интенсивности стоксова пучка по сравнению с накачкой, рис.1.

Рис. 1. Профили пучков генерируемого стоксова излучения (красный) и накачки (на входе –синий, на выходе – черный, без учета истощения –шриховой) многомодового ВКР-лазера с ГВС в теории и в эксперименте вместе с поперечными сечениями пучков стоксова излучения (вверху) и накачки (внизу).

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант 21-72-30024).

Публикации

1. S.A.Babin, A.G. Kuznetsov, O.S.Sidelnikov, A.A.Wolf,  I.N.Nemov, S.I.Kablukov, E.V.Podivilov, M.P.Fedoruk, S.Wabnitz. Spatio‑spectral beam control in multimode diode‑pumped Raman fibre lasers via intracavity filtering and Kerr cleaning. Sci. Rep. 11, 21994 (2021)
2. A.G.Kuznetsov, S.I.Kablukov, E.V.Podivilov, S.A.Babin. Brightness enhancement and beam profiles in an LD-pumped graded-index fiber Raman laser. OSA Continuum 4(3) 1034-1040 (2021).
3. A.G.Kuznetsov, I.N.Nemov, A.A.Wolf, E.A.Evmenova, S.I.Kablukov, S.A.Babin. Cascaded generation in multimode diode-pumped graded-index fiber Raman lasers. Photonics  8(10), 447 (2021).
4. A.G.Kuznetsov, I.N.Nemov, A.A.Wolf, S.I.Kablukov, and S.A.Babin.Multimode LD-pumped all-fiber Raman laser with excellent quality of 2nd-order Stokes output beam at 1019 nm. Opt. Express 29 (11) 17573-17580 (2021).
5. А.Г.Кузнецов, С.И.Каблуков, Е.В.Подивилов, С.А.Бабин. Исследование пространственных характеристик выходного пучка каскадного ВКР-лазера с многомодовой диодной накачкой. Кв. электр. 51 (12) 1090-1095  (2021).
6. O. S. Sidelnikov, E. V. Podivilov, M. P. Fedoruk, A. G. Kuznetsov, S. Wabnitz, and S. A. Babin. Mechanism of brightness enhancement in multimode LD-pumped graded-index fiber Raman lasers: numerical modeling. Optics Express (in press).

Наноструктурирование поверхности аморфного и кристаллического кремния фемтосекундными лазерными импульсами

Продемонстрировано формирование решеток с субволновым периодом на поверхности аморфного (а-Si) и кристаллического (c-Si) кремния лазерными фс импульсами с длиной волны 1026 нм при латеральном сканированием поверхности образцов.  В случае пленок а-Si впервые получен новый тип структур – гексагональная решетка конусообразных выступов SiO₂ с периодом ~980 нм, чередующихся с подповерхностными включениями поликристаллической фазы Si (Рис. 1 a-в), – что позволило существенно изменить оптические свойства пленки (снижение коэффициента отражения с ~50% до <2% в видимом диапазоне (Рис. 1 г)). Впервые продемонстрировано применение лазерно-индуцированных структур для повышения чувствительности метода флуоресцентной спектроскопии на два порядка, по сравнению со стандартными подходами измерения концентрации аналита. Достигнут режим лазерно-индуцированной кристаллизации пленки a-Si без изменения исходной морфологии поверхности при скорости сканирования 1 мм/с (Рис. 1 д). Для c-Si разработана методика создания массива углублений с периодом 450±5 нм и аспектным соотношением равным 8 путем использования покрывающей пленки гафния толщиной 20 нм, обеспечивающей эффективное возбуждение поверхностных плазмонов (Рис. 1 e, ж).

Рис. 1. (a) Микрофотографии гексагональной решетки микроконусов, записанной на пленке a-Si толщиной 370 нм, и (б) поперечного выреза данной структуры; (в) микрофотографии структур, записанных на пленке a-Si при различных скоростях сканирования, (г) спектры отражения соответствующих структур; (д) оптические снимки в проходящем и отраженном свете области лазерно-индуцированного поликристаллического кремния; (e) микрофотографии решетки, записанной на пластине c-Si, покрытой 20 нм слоем Hf и (ж) поперечного выреза данной решетки.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№19-32-90235) и РНФ (№21-72-20162).

Публикации

1. Dostovalov, K. Bronnikov, V. Korolkov, S. Babin, E. Mitsai, A. Mironenko, M. Tutov, D. Zhang, K. Sugioka, J. Maksimovic, T. Katkus, S. Juodkazis, A. Zhizhchenko, and A. Kuchmizhak, "Hierarchical anti-reflective laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) on amorphous Si films for sensing applications," Nanoscale (2020).
2. Bronnikov, A. Dostovalov, A. Cherepakhin, E. Mitsai, A. Nepomniaschiy, S. A. Kulinich, A. Zhizhchenko, and A. Kuchmizhak, "Large-Scale and Localized Laser Crystallization of Optically Thick Amorphous Silicon Films by Near-IR Femtosecond Pulses," Materials 13(22), 5296 (2020).
3. Mitsai, A. V. Dostovalov, K. A. Bronnikov, A. V. Nepomniaschiy, A. Y. Zhizhchenko, and A. A. Kuchmizhak, "Crystallization of Optically Thick Amorphous Silicon Films by Near-IR Femtosecond Laser Processing," Solid State Phenomena 312, 134–139 (2020).
4. K. Bronnikov, A. Dostovalov, V. Terentyev, S. Babin, A. Kozlov, E. Pustovalov, E. L. Gurevich, A. Zhizhchenko, and A. Kuchmizhak, "Uniform subwavelength high-aspect ratio nanogratings on metal-protected bulk silicon produced by laser-induced periodic surface structuring," Appl. Phys. Lett. 119(21), 211106 (2021).