Лазерный генератор импульсных последовательностей с возможностью управления частотой следования импульсов

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике волоконно-оптических лазерных генераторов импульсов с высокой частотой следования.
Лазерные источники ультракоротких импульсов с высокой частотой следования востребованы в ряде приложений современной фотоники - оптической связи, сигнальном процессинге, генерации гребенчатого спектра и т.д. Известным вариантом лазерного генератора последовательности импульсов с частотой следования до десятков ГГц, обладающим рядом потребительских преимуществ - компактностью, надежностью, высоким качеством пучка, удобным выводом излучения являются солитонные волоконные лазеры с пассивной гармонической синхронизацией мод, осуществляемой при помощи насыщающихся поглотителей [F. Amrani et al, "Passively mode-locked erbium-doped double-clad fiber laser operating at the 322nd harmonic" Opt. Lett. 34, 2120-2122 (2009)]. Однако, показано, что этот механизм синхронизации мод не является устойчивым при достаточно близких расстояниях между импульсами, т.е. для высоких частот следования 100 ГГц и более [U. Andral et al, "Toward an autosetting mode-locked fiber laser cavity" J. Opt. Soc. Am. B33, 825-833 (2016)]. Известна также конструкция лазерного генератора, основанного на эффекте диссипативного четырехволнового смешивания, суть которого в том, что среди множества продольных мод резонатора, необходимо выделить только 2 моды, симметричных относительно максимума усиления, у которых усиление превышает потери. Ключевым элементом подобной схемы является высокодобротный фильтр, обеспечивающий выбор основных мод в области положительного усиления, например, связанный с волокном микрорезонатор [Gaeta A. et al. Parametric comb generation via nonlinear wave mixing in high-Q optical resonator coupled to built-in laser resonator : пат. 9490605 США. - 2016]. Недостатками схемы являются трудности в сопряжении микрорезонатора с волоконными элементами и отсутствие возможности перестройки частоты следования.
Указанных недостатков лишена известная конструкция волоконного импульсного генератора (Фиг. 1 (a)), с кольцевым резонатором, состоящим из блока ввода накачки - 1, волокна, легированного ионами эрбия - 2, контроллеров поляризации - 3, оптического изолятора - 4, устройства вывода генерируемого излучения - 5, последовательно соединенных между собой стандартным одномодовым телекоммуникационным волокном. В этом генераторе в качестве фильтра используется волоконный интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ) - 6, с регулируемой величиной отстройки между плечами  [D. Mao et al, "Flexible high-repetition-rate ultrafast fiber laser" Sci rep., 3, 3223 (2013)]. Принцип работы генератора заключается в следующем. При соответствующей настройке контроллеров поляризации, поляризация излучения в резонаторе становится линейной. Потери, возникающие вследствие нелинейного вращения поляризации, минимизируются. В этом режиме ИМЦ выделяет среди множества мод резонатора моды, отличающиеся по частоте на величину свободного спектрального диапазона (Free Spectral Range) интерферометра, , где - скорость света,  - показатель преломления волокна, из которого изготовлен ИМЦ,  - разность между длинами плеч интерферометра. В ходе диссипативного четырехволнового смешивания происходит согласование фаз и синхронизация выделенных мод. В результате сложения выделенных синхронизованных мод, генерируется последовательность импульсов с частотой следования, равной FSR. Перестраивая величину разности между длинами плеч интерферометра , возможно изменять частоту следования генерируемых импульсов.
Данная конструкция генератора взята за прототип. Его недостатками являются: 1) Недостаточная селективность ИМЦ для подавления множества побочных мод при высокой частоте следования, т.е большом значении FSR. Этот недостаток приводит к ограничению максимальной частоты следования значением в несколько сотен (400-500) ГГц. 2) Нестабильность генерации импульсной последовательности при частотах следования < 300 ГГц, возникающая из-за того что в спектральном  диапазоне, в котором усиление превышает потери, при относительно небольшом FSR находится более двух мод ИМЦ. Указанные недостатки приводят к тому, что управление частотой следования импульсов возможно осуществлять лишь в ограниченном диапазоне. Для их устранения предложена данная полезная модель.
Основной целью данной полезной модели является увеличение диапазона перестройки частоты следования импульсной последовательности, генерируемой лазерным источником.
Техническим результатом является повышение селективности внутрирезонаторного фильтра с перестройкой частоты и точный контроль спектрального диапазона, в котором усиление превосходит потери.
Технический результат достигается за счет использования в конструкции не однопроходного, а двухпроходного ИМЦ и прецизионной регулировкой уровня накачки, обеспечивающего контроль ширины спектрального диапазона, в котором усиление превосходит потери.
Схема предлагаемой полезной модели приведена на Фиг. 1 (b), где двухпроходной ИМЦ с регулируемой величиной отстройки между плечами обозначен цифрой 7, а устройство прецизионного контроля накачки, позволяющее точно управлять уровнем накачки вблизи порога генерации, и соответственно, контролировать спектральный диапазон, в котором усиление превосходит потери, обозначено цифрой 8.
Приведенные в дальнейшем результаты получены для системы с параметрами резонатора, приведенными в Таблице 1.
Таблица 1
Система прецизионного управления уровнем накачки позволяет точно контролировать спектральную полосу преобладания усиления, в которой должны находиться только 2 моды ИМЦ. Это условие обеспечивает стабильную синхронизацию мод и генерацию регулярной импульсной последовательности. На Фиг. 2 (a) показана область стабильной генерации импульсной последовательности в зависимости от частоты следования (ось абсцисс) и мощности генерируемого излучения, определяемого уровнем накачки (ось ординат). Выделены области, соответствующие включению в резонатор стандартного однопроходного ИМЦ и двухпроходного ИМЦ. Как можно видеть, точный контроль уровня накачки позволяет получить возможность генерации при частотах следования 250 ГГц и ниже. На Фиг. 2 (б) для сравнения показаны импульсные последовательности, генерируемые лазером с однопроходным ИМЦ с частотой следования 490 ГГц (соответствует точке А на Фиг. 2 (а)), с двухпроходным ИМЦ с частотой следования 490 ГГц (соответствует точке B на Фиг. 2 (а)) и с двухпроходным ИМЦ с частотой следования 980 ГГц (соответствует точке C на Фиг. 2 (а)). Можно видеть, что использование двухпроходного ИМЦ позволяет повысить верхнюю границу частоты следования генерируемой последовательности (до ~ 1 ТГц) и увеличить мощность генерируемого излучения.
Суть происходящих процессов иллюстрирует Фиг. 3, на котором показаны спектр генерируемой импульсной последовательности, спектр линии усиления и спектр пропускания ИМЦ, соответствующие последовательностям A, B и С на Фиг. 2 (b). Также показан уровень потерь в резонаторе. На спектрах, изображенных на Фиг. 3 (а), видно, что в спектральном диапазоне преобладания усиления (там, где линия усиления выше уровня потерь) находятся только 2 спектральные линии, соответствующие максимумам пропускания ИМЦ, что обеспечивает успешную генерацию регулярной последовательности импульсов. Прецизионный контроль уровня накачки позволяет точно управлять размерами этого диапазона в области, близкой к порогу генерации, и генерировать импульсные последовательности с достаточно небольшой частотой следования, соответствующей FSR, т.е. частотному расстоянию между модами.
Для повышения мощности генерируемого излучения необходимо повышать уровень накачки, однако, при этом затрудняется фильтрация побочных мод. После превышения определенного уровня моды, находящиеся в максимуме пропускания ИМЦ, невозможно выделить. Повысить селективность возможно, используя двухпроходной ИМЦ. Эту ситуацию иллюстрирует Фиг. 3 (b), на котором показан спектр регулярной последовательности В с мощностью значительно большей, чем у последовательности A. Для ее генерации был использован двухпроходной ИМЦ.
Использование повышенной селективности двухпроходного ИМЦ (по сравнению с однопроходным ИМЦ) позволяет значительно повысить максимальную частоту следования генерируемой последовательности, что иллюстрирует Фиг. 3 (с), на котором показан спектр последовательности C частотой следования FSR=980 ГГц. Как можно видеть, уширение максимумов пропускания ИМЦ снижает его селективность, однако, качество фильтрации двухпроходного ИМЦ и прецизионная регулировка накачки в области, близкой к порогу генерации, оказываются достаточным условием для успешной генерации последовательности импульсов с частотой следования ~1ТГц.
Таким образом, поставленная цель достигнута. Показано, что использование в прототипе прецизионного контроля уровня накачки и двухпроходного ИМЦ позволяет значительно расширить диапазон перестройки частот следования генерируемых последовательностей импульсов.