ЛАЗЕР С МОДУЛЯТОРОМ НА ОСНОВЕ ВОЛОКНА С УМЕНЬШАЮЩЕЙСЯ НОРМАЛЬНОЙ ДИСПЕРСИЕЙ

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам с нормальной дисперсией.
Современные волоконные лазеры - источники ультракоротких импульсов могут быть поделены на две основные группы. Первую составляют лазеры с аномальной дисперсией резонатора. В лазерах этого типа нелинейность компенсирует дисперсионное расплывание оптических волновых пакетов, что в результате приводит к генерации устойчивых солитоноподобных импульсов короткой длительности. Недостатком таких лазеров является то, что при превышении пиковой мощностью импульса определенного порогового значения аномальная дисперсия резонатора не в состоянии полностью сбалансировать нелинейные эффекты. Это приводит к ограничению энергии отдельного импульса и многоимпульсным режимам генерации. Напротив, лазеры второй группы - с нормальной дисперсией резонатора - поддерживают генерацию импульсов с энергией, принципиально ограничиваемой лишь мощностью и шириной спектра накачки [“Fiber Lasers” Wiley-VHC Verlag & Co, ed. Okhotnikov O. G., 280 p. (2012)]. Одними из наиболее многообещающих лазеров этого типа являются симиларитонные лазеры, получившие название по типу генерируемых импульсов (в англоязычной литературе «similaritons»). Генерируемые в таких лазерах импульсы эволюционируют в резонаторе практически самоподобно и обладают высоким значением скорости частотной модуляции (чирпом). При погашении модуляции на элементе с аномальной дисперсией и минимальной нелинейностью (например, дифракционной решетке) генерируемый импульс может быть сильно сжат до субпикосекундной длительности, при этом его пиковая мощность может достигать десятков кВт и выше [F. O. Ilday, J. R. Buckley, W. G. Clark, and F. W. Wise, “Self-Similar Evolution of Parabolic Pulses in a Laser” Phys. Rev. Lett. Vol. 92, 213902 (2004)]. Таким образом, симиларитонные лазеры с нормальной дисперсией резонатора перспективны в качестве источников ультракоротких импульсов высокой пиковой мощности. Данная полезная модель предлагает усовершенствование схемы лазеров этого типа. Использование волокна-модулятора с нормальной дисперсией, уменьшающейся по длине волокна, приводит к тому, что форма генерируемого симиларитонного импульса становится еще ближе к параболической, а скорость его частотной модуляции остается постоянной на протяжении всей длительности импульса. В итоге выходной импульс может быть подвержен большей компрессии, а его пиковая мощность значительно повышена.
Известна конструкция волоконного лазера с нормальной дисперсией симиларитонного типа [Ilday et al, pat. US 2006/0291521 A1]. Она взята за прототип. Основными элементами лазера являются: 1- устройство ввода накачки, 2 - активное волокно, легированное ионами редкоземельных элементов, 3 - оптический изолятор, 4 - компрессионный элемент с аномальной дисперсией и минимальной нелинейностью, например, пара дифракционных решеток, 5 - насыщающийся поглотитель; в его качестве может быть использован любой стандартный быстродействующий насыщающийся поглотитель, например, основанный на эффекте нелинейного вращения поляризации или на основе полупроводниковой структуры [A.B.Grudinin et al., pat. US 8179943 B2], 6 - устройство вывода излучения, 7 - одномодовое волокно - модулятор с нормальной дисперсией. Схема лазера приведена на Фиг.1.
Принцип работы лазера заключается в следующем. При превышении мощностью накачки определенного порогового значения в лазере происходит синхронизация мод и формируется импульс. В стационарном режиме генерации эволюцию импульса в резонаторе можно поэтапно представить как 1) нелинейная фазовая самомодуляция, сопровождающаяся дисперсионным расплыванием в волокне-модуляторе, 2) повышение мощности в коротком активном волокне, легированном редкоземельными ионами, 3) гашение частотной модуляции на элементе с аномальной дисперсией и сжатие импульса, 4) вывод основной части импульса через ответвитель и возвращение в модулятор резонатора оставшейся части импульса. Основным преимуществом лазера является то, что на протяжении большей части резонатора форма импульса близка к параболической, которая является устойчивой и характерна для симиларитонных импульсов, распространяющихся в волокне с нормальной дисперсией. Устойчивость импульса позволяет увеличивать его энергию до десятков нДж и выше [A. Chong, W. H. Renninger and F. W. Wise “All-normal-dispersion femtosecond fiber laser with pulse energy above 20 nJ”, Optics Letters, 32, 2408 (2007)]. При заданной пиковой мощности насыщения насыщающегося поглотителя энергетические характеристики выходного импульса данного лазера практически полностью определяются мощностью и шириной спектра усиления накачки.
Недостатком данного лазера является то, что импульс в одномодовом пассивном волокне - модуляторе обладает не полностью параболической формой. Практически совпадает с ней лишь центральная часть импульса, и в результате скорость частотной модуляции также непостоянна на протяжении всей длительности импульса - максимальное значение в центре снижается к краям импульса. Эти факторы приводят к неустойчивости импульса при высоких значениях энергии [W. J. Tomlinson, R. H. Stolen and A. M. Johnson “Optical wave breaking of pulses in nonlinear optical fibers”, Optics Letters, 10, 457 (1985)] и неполной компрессии импульса в элементе с аномальной дисперсией.
Для устранения указанного недостатка предложена данная полезная модель.
Основной целью
данной полезной модели является повышение устойчивости и уровня компрессии импульса в резонаторе лазера симиларитонного типа.
Технический результат:
повышение пиковой мощности выходного импульса.
Технический результат
достигается за счет использования в качестве волокна-модулятора одномодового волокна, нормальная дисперсия которого снижается по длине по гиперболическому закону
<img file="00000002.tif" he="10" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />,
(1)
где - значение дисперсии групповых скоростей на входе в волокно-модулятор, - координата вдоль волокна, - постоянная, характеризующая инкремент снижения дисперсии.
Описание изобретения:
Известно, что в пассивном одномодовом волокне с нормальной дисперсией, уменьшающейся по длине согласно закономерности (1), произвольный входной импульс, асимптотически при  приобретает параболическую форму, которую можно описать выражением для комплексной огибающей  [Hirooka T., Nakazava M. «Parabolic pulse generation by use of a dispersion-decreasing fibre with normal group-velocity dispersion» Optics Letters. 29,  498 (2004)]:
<img file="00000008.tif" he="14" wi="92" img-content="undefined" img-format="tif" />
(2)
Отмечаем, что остальные параметры волокна-модулятора, в частности, площадь пятна моды и коэффициент нелинейности  остаются постоянными по длине. Технология изготовления волокон такого типа известна [Ахметшин У.Г., Богатырев В.А., Сенаторов А.К., Сысолятин А.А., Шалыгин М.Г., Квантовая электроника, 33, 265 (2003)]. При этом для пиковой мощности  и длительности импульса  с начальной энергией  в модуляторе справедливы выражения
<img file="00000013.tif" he="27" wi="51" img-content="undefined" img-format="tif" />
(3)
Очень важно то, что асимптотически при  мгновенная частота импульса линейно зависит от времени с постоянной скоростью частотной модуляции (чирпом)
<img file="00000015.tif" he="11" wi="54" img-content="undefined" img-format="tif" />,
(4)
а величина чирпа может быть задана при изготовлении волокна при помощи параметров начальной дисперсии  и инкремента снижения дисперсии .
Таким образом, используя в симиларитонном лазере волокно-модулятор с дисперсией, изменяющейся согласно (1), возможно получить импульс с улучшенными характеристиками - с огибающей, близкой к устойчивой параболической форме на большей части продолжительности импульса, и линейной частотной модуляцией, обеспечивающей высокое качество компрессии импульса.
Для проверки этого утверждения было проведено численное моделирование предлагаемой модели лазера в сравнении с прототипом, отличающимся лишь волокном-модулятором, причем значение суммарной нормальной дисперсии в модуляторе в обоих случаях совпадало. Моделирование проводилось при одних и тех же начальных условиях (генерация из заданного «белого» шума) при одинаковой мощности накачки. Результаты моделирования представлены на Фиг. 2 для лазера с параметрами: пиковая мощность насыщающегося поглотителя 1.5 кВт, активное волокно имеет нормальную дисперсию  и длину 0.5 метра, все волоконные элементы обладают коэффициентом нелинейности . В первом случае (соответствующем предлагаемой полезной модели, результаты на Фиг.2 обозначены цифрой «1») дисперсия волокна-модулятора с длиной 25 м распределена как
<img file="00000020.tif" he="10" wi="29" img-content="undefined" img-format="tif" />,
(1)
с начальной дисперсией . Во втором случае (результаты на Фиг.2 обозначены цифрой «2») модулятор имеет ту же суммарную дисперсию, равномерно распределенную по длине 10 м (значение ). Элемент-компрессор с аномальной дисперсией и пренебрежимо малой нелинейностью обеспечивает для обоих случаев одинаковую суммарную нормальную дисперсию резонатора равную 15 .
Сплошными линиями показаны результаты для импульсов на выходе из усилителя, штриховыми - после прохождения компрессионного элемента. На Фиг 2 (а) показаны зависимости изменения мгновенной частоты от времени на протяжении длительности импульса. Как можно видеть, для импульса, прошедшего модулятор с уменьшающейся нормальной дисперсией, эта зависимость является практически линейной, что способствует лучшей компрессии. На Фиг. 2 (б) из сравнения форм огибающих видно, что после прохождения модулятора импульсы в обоих случаях не полностью соответствуют параболической асимптотике (2) (параболический импульс в рассматриваемом логарифмическом масштабе обладает почти плоской вершиной и отвесными краями). Тем не менее, практически постоянный чирп импульса, прошедшего модулятор с уменьшающейся дисперсией, обеспечивает лучшую компрессию и более высокую пиковую мощность сжатого импульса. Это хорошо иллюстрирует вставка на Фиг.2, на которой импульсы, прошедшие компрессионный элемент, показаны в линейном масштабе. Как можно видеть, импульс, прошедший модулятор с уменьшающейся дисперсией, может быть сжат до пиковой мощности более чем 2 раза большей, по сравнению с импульсом, прошедшим стандартный модулятор лазера симиларитонного типа. При моделировании выбраны параметры нелинейности, соответствующие стандартным кварцевым волоконным световодам. При использовании в качестве модулятора с уменьшающейся дисперсией фотоннокристаллического волокна с повышенным коэффициентом нелинейности эффективность предложенной модели возрастает за счет более быстрой сходимости огибающей импульса к параболической форме. Изменяя параметры волоконного модулятора - инкремент снижения дисперсии, ее начальное значение и длину волокна, возможно управлять параметрами выходного лазерного импульса - шириной спектра, длительностью и пиковой мощностью. При оптимальном сочетании параметров пиковая мощность импульса может быть повышена в несколько раз.
Экспериментальная проверка предлагаемой полезной модели подтверждает результаты моделирования.
технический результат
Таким образом,  полезной модели достигнут. Показано, что при использовании в лазере симиларитонного типа волоконного модулятора с уменьшающейся нормальной дисперсией характеристики выходного лазерного импульса могут быть улучшены. При использовании в качестве компрессионного элемента фотоннокристаллического волокна с аномальной дисперсией и малым параметром нелинейности предлагаемая модель лазера может быть изготовлена в полностью волоконном исполнении.