Оптическая система для генерации лазерных импульсов высокой спектральной плотности

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике оптических волоконных усилителей и генераторов лазерных импульсов.
Одной из основных проблем современной физики лазеров является генерация излучения с высокой спектральной плотностью, необходимого в целом ряде задач, например, при преобразовании частот при помощи нелинейных кристаллов - для генерации суммарных и разностных частот, параметрической генерации. Важно отметить, что в некоторых спектральных диапазонах излучение может быть получено только такими способами. Для достижения эффективной нелинейной конверсии необходимо добиться высокой интенсивности излучения в заданной области спектра. Стандартным решением является использование лазерных источников импульсов сверхкороткой длительности, у которых пиковая мощность импульса на порядки превосходит среднюю мощность источника. Недостатком данного способа является то, что импульсы сверхкороткой длительности обладают широким спектром, и в необходимом спектральном диапазоне оказывается сконцентрированной лишь небольшая часть энергии импульса. Для устранения указанного недостатка предлагается данная полезная модель.
Цель: повысить интенсивность излучения в заданном спектральном диапазоне.
Технический результат: уменьшить ширину спектра импульса без значительных потерь его энергии.
Технический результат достигается за счет использования эффекта нелинейной фазовой самомодуляции (ФСМ), сопровождающего распространение импульса в волоконном световоде и приводящего к компрессии спектра импульса с отрицательной частотной модуляцией (чирпом).
3+
Известна система генерации параболических лазерных импульсов высокой энергии (Patent US 2004/0028326 A1, Fermann et al), состоящая из источника ультракоротких лазерных импульсов, системы накачки и активного волокна с нормальной дисперсией групповых скоростей (ДГС), легированного редкоземельными ионами, например Yb. На схеме предлагаемой оптической системы (Фиг. 1) известная система генерации параболических импульсов обведена штриховой линией.
Известно, что распространение ультракоротких импульсов в активном нелинейном оптическом волокне, описывается нелинейным уравнением Шредингера (НУШ) с усилением (Agrawal G., “Nonlinear fiber optics” (Springer, fourth edition, 2007, 530 p.):
.
0
Здесь А(z,τ) - медленно меняющаяся амплитуда импульса, D - ДГС активного волокна,  - коэффициент керровской нелинейности волокна и g - коэффициент усиления по мощности.
Принцип действия известной системы основан на том, что огибающая ультракороткого лазерного импульса, усиливающегося в оптическом волокне с постоянным коэффициентом усиления и постоянной нормальной ДГС, асимптотически при  стремится к параболическому виду, масштабирующемуся с ростом координаты импульса, при этом амплитуда и фаза асимптотического параболического решения не зависят от начальной формы импульса, а определяются только начальной энергией импульса  и параметрами активного волокна
В этом случае принято говорить о самоподобном (симиляритонном) усилении импульса. Характерной чертой этого процесса является приобретение импульсом при  постоянной скорости частотной модуляции
.
Энергия импульса растет экспоненциально с длиной усилителя , однако, ширина спектра усиливаемого симиляритонного импульса
<img file="00000008.TIF" he="15" wi="84" img-content="undefined" img-format="TIF" />
также экспоненциально растет по длине усилителя, ( - начальная ширина спектра импульса). Из-за того что накачка обеспечивает усиление только в пределах ограниченной спектральной полосы , по мере распространения импульса эффективность усиления падает, так как спектральные компоненты импульса, близкие к границам спектральной полосы усиления, усиливаются в значительно меньшей степени чем компоненты в середине спектра. Таким образом, длина используемого активного волокна  ограничена некоторой предельной величиной , определяемой из соотношения
.
Выход системы генерации параболических импульсов связан с линейным дисперсионным элементом с аномальной ДГС (см. Фиг. 1). Используя такой элемент, например, пару дифракционных решеток можно придать импульсу частотную модуляцию (чирп) противоположного знака, при этом форма огибающей импульса сохранится
.
Полученный линейно частотно-модулированный импульс с отрицательным чирпом  инжектируется в нелинейное волокно с ДГС  и нелинейностью  (Фиг. 1). При распространении в волокне положительный чирп, набираемый за счет нелинейной ФСМ, компенсирует первоначальный отрицательный чирп, в результате спектр импульса сжимается. Качество компрессии спектра зависит от формы импульса и наилучшим образом осуществляется для импульсов с параболической огибающей. Именно поэтому в качестве источника предлагается использовать генератор параболических импульсов. Действительно, в бездисперсионном случае  на некоторой дистанции , частотная модуляция может быть полностью скомпенсирована
<maths num="1"><img file="00000020.TIF" he="15" wi="85" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>,
при этом достигается минимальная ширина спектра. Оценка влияния ДГС приведена на Фиг 2. Показаны эволюция ширины спектра  (a) и длительности  (b) параболического импульса с начальной длительностью  пс и начальным чирпом  при распространении в световоде с параметром нелинейности  и различными значениями ДГС. Сравниваются также эволюция ширины спектра  (c) и длительности  (d) параболических импульсов равной энергии с равной начальной шириной спектра и различными начальными длительностями  при распространении в волокне с параметром нелинейности  и ДГС . Сплошные линии - результаты вариационных расчетов. Кружками обозначены результаты прямого численного моделирования.
Как можно видеть, на длине волокна порядка нескольких десятков метров ширина спектра исходного импульса уменьшается более чем на порядок. С учетом того, что поглощение на такой длине распространения не превосходит 1%, можно утверждать, что спектральная плотность энергии импульса возрастает в десятки раз. При этом наиболее быстрая компрессия спектра происходит в нелинейном волокне с нормальной ДГС . При длине распространения менее 100 м в таких волокнах можно пренебречь вкладом дисперсий высших (третьего и более) порядков, искажающих итоговый спектр и форму огибающей импульса. Таким образом, можно сделать вывод о том, что для нелинейной компрессии спектра наиболее подходящими являются волокна с нормальной ДГС. Анализ также показывает, что в процессе спектральной компрессии в нелинейном волокне с нормальной ДГС длительность импульса уменьшается не более чем в несколько раз (2-3 раза) - т.е. пиковая мощность импульса возрастает также не более чем в 2-3 раза. Это повышение не является критичным для элементов нелинейно-оптической системы, используемой для конверсии частот, и не приведет к ухудшению ее характеристик. Вместе с тем повышение спектральной плотности излучения в десятки раз на порядок увеличит эффективность процесса нелинейной конверсии.
В результате можно видеть, что предлагаемая полезная модель благодаря достижению технического результата - сужению спектра импульса обеспечивает выполнение поставленной цели.