ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОМПРЕССИИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к области оптики, в частности к лазерной технике генерации субпикосекундных и фемтосекундных импульсов.
Известно устройство (Patent US 2009/0190893 A1, Katagiri et al.) для компрессии ультракоротких лазерных импульсов, состоящее из
- диспергирующего элемента для сообщения входящему импульсу частотной модуляции (чирпа),
- компенсатора, сост тоящего из оптического волокна с аномальной дисперсией групповых скоростей (ДГС) и малой кубической (керровской) нелинейностью, в котором уменьшение длительности импульса и увеличение его пиковой мощности одновременно происходит под действием двух факторов:
1) погашения положительной частотной модуляции из-за действия аномальной дисперсии,
2) нелинейной самомодуляции, действие которой в итоге приводит к образованию солитона (устойчивого импульса, нелинейное сжатие которого под действием нелинейности компенсируется растяжением под действием аномальной ДГС).
Каждый из этих процессов характеризуется своим масштабом. Первый - длиной погашения чирпа, зависящей собственно от величины чирпа и ДГС волокна. Второй - длиной формирования солитона, зависящей как от параметров волокна (ДГС, величины нелинейности), так и от параметров исходного импульса (пиковой мощности и длительности).
Выбор оптимальной длины волокна-компенсатора представляет собой отдельную сложную задачу, авторы патента предлагают подбирать ее эмпирическим путем, не более длины формирования солитона.
Данное изобретение имеет существенные недостатки.
Во-первых, подбор оптимальной длины волокна является сложной нелинейной задачей. В любом случае приходится выбирать доминирующий процесс компрессии, и по его масштабу (меньшему из двух) определять длину волокна. Как следствие этого - максимальное сжатие импульса осуществить невозможно.
Во-вторых, начальный чирп не может быть выше некоторого критического значения, зависящего от мощности исходного импульса, что опять же не позволяет добиться максимальной компрессии при погашении чирпа.
Причиной этих недостатков является то, что распространение частотно-модулированного импульса в волокне с постоянной аномальной ДГС неустойчиво (устойчивое солитонное распространение происходит уже после погашения положительного чирпа).
Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель полезной модели: разработать оптическую систему для сжатия длительности ультракоротких лазерных импульсов за счет применения волокна с уменьшающимся по длине профилем дисперсии групповых скоростей, обеспечивающим существование и устойчивость сжимаемого частотно-модулированного импульса.
Технический результат: сжатие ультракороткого (субпикосекундного и фемтосекундного) оптического импульса на выходе оптической системы более чем на порядок, повышение эффективности компрессии.
Технический результат достигается за счет применения волокна с уменьшающимся по длине профилем дисперсии групповых скоростей, обеспечивающим существование и устойчивость сжимаемого частотно-модулированного импульса. Более того, при распространении импульса в волокне такого типа происходит дополнительная его частотная модуляция, приводящая к большей компрессии в выходном диспергирующем элементе.
Описание полезной модели:
Известно, что распространение ультракоротких импульсов в нелинейном оптическом волокне, описывается нелинейным уравнением Шредингера (НУШ) с усилением:
,
где A (z, τ) - медленно-меняющаяся амплитуда импульса, D(z) - ДГС волокна, R(z) - коэффициент керровской (кубической) нелинейности и g(z) - коэффициент усиления (потерь) в волокне, z - координата импульса, τ - время в сопутствующей импульсу системе координат.
Известно также, что при постоянных по длине волокна коэффициентах аномальной ДГС D и нелинейности R условие существования в нем частотно-модулированных импульсов имеет вид:
,
0
0
0
0
где g - начальное значение коэффициента усиления (потерь) на входе в волокно (Серкин В.Н., Беляева Т.Л. // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т.74. №12. С.649). Таким образом, для распространения чирпованных импульсов в волокне, коэффициент усиления (потерь) в нем должен гиперболически убывать с расстоянием. При этом импульс должен обладать характерной sech-формой, а между его параметрами выполняются соотношения: , , здесь k - волновой вектор (пространственная частота) импульса, α - скорость частотной модуляции импульса на входе в волокно, A - его начальная амплитуда (пиковая мощность), τ - начальная длительность импульса. Длительность импульса в процессе распространения изменяется как
0
0
τ=τ(1-2gz),
0
то есть в усиливающем волокне импульс сжимается, а в случае потерь - расплывается (z<1/2g).
Авторами был проанализирован процесс распространения ультракоротких импульсов в нелинейном волокне, с изменяющимися по длине волокна показателями ДГС, нелинейности и усиления (потерь). Этот процесс описывается нелинейным уравнением Шредингера с усилением с переменными коэффициентами D(z), R(z), g(z). Анализ показал, что в случае аномальной ДГС волокна условие существования устойчивых к внешним шумам солитоноподобных частотно-модулированных импульсов сводится к уравнению для функции D(z). При этом указано на то, что распространение частотно-модулированных импульсов возможно и в пассивных волокнах без усиления (потерь). Условию несущественности потерь g(z)<0,5 dB/км удовлетворяют оптические волокна с радиальным «W»-профилем показателя преломления (Ахметшин У.Г., Богатырев В.А., Сенаторов А.К., Сысолятин А.А., Шалыгин М.Г. // Квантовая электроника. 2003. Т.33. №3. С.265.), причем в этом случае решения уравнения для D(z) и параметров импульса записываются в простом виде:
0
0
0
D(z)=Dexp(-2Qz), τ(z)=τexp(-2Qz), α(z)=αexp(2Qz),
0
0
где параметр Q=α|D|.
0
0
-26
2
24
-2
На фиг.1 показан профиль ДГС по длине оптического волокна, обеспечивающий существование и устойчивое распространение частотно-модулированного импульса, начальная ДГС волокна D=-1·10 с/m, скорость частотной модуляции импульса на входе в волокно α=10 с.
Таким образом, показано, что подобные волокна целесообразно использовать для компрессии частотно-модулированных ультракоротких лазерных импульсов и их дополнительной частотной модуляции.
0
0
0
-26
2
24
-2
-12
-13
25
-2
Действительно, при входных значениях ДГС D=-2·10 с/m и скорости ЧМ α=10 с можно уменьшить длительность импульса от входной τ=10 с до длительности τ=10 c на выходе при длине волокна z≈60 m. При этом величина ДГС волокна на этой длине должна экспоненциально измениться практически на порядок. Сверх того, при прохождении импульс приобретает добавочную частотную модуляцию α=10 с, и его длительность возможно дополнительно сжать на выходном диспергирующем элементе.
Следует отметить, что при рассмотрении динамики ультракороткого импульса в неоднородном волокне необходим также учет дисперсии третьего порядка (ДТП), которая существенно влияет на форму импульса и может привести к его распаду. Для рассматриваемых волокон с аномальной и плавно уменьшающейся по модулю ДГС даже если на входе значение параметра ДТП мало, начиная с некоторой длины волокна, ее влияние станет значительным. Поэтому для эффективной компрессии частотно-модулированного импульса желательно выполнение по всей длине волокна условия малости ДТП по отношению к величине D(z)/Δω, где Δω(z) - ширина спектра импульса. Указанному условию могут удовлетворять, отмеченные выше, волокна с «W»-профилем показателя преломления в поперечном сечении. В таких волокнах удается создавать необходимое по длине распределение ДГС при сверхмалых значениях дисперсионного параметра третьего порядка. Используемая в настоящее время технология их вытяжки (Плоцкий А.Ю., Сысолятин А.А., Латкин А.И., Хопин В.Ф., Харпер П., Харрисон Дж., Турицын С.К. // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т.85. №7. С.397.) позволяет достигать существенного изменения дисперсии даже при небольшом перепаде диаметра волокна на всей его длине.
На основе проведенного анализа разработана оптическая система для компрессии ультракоротких лазерных импульсов (фиг.2), включающая элемент (1) для сообщения входящему импульсу частотной модуляции (чирпа), последовательно соединенное с ним оптическое волокно (2) с аномальной дисперсией групповых скоростей и керровской нелинейностью для нелинейного самосжатия и модуляции импульса и подключенный к выходу оптического волокна элемент (3) для погашения частотной модуляции и компрессии.
При этом значение модуля аномальной дисперсии групповых скоростей в оптическом волокне экспоненциально спадает по длине волокна, что позволяет добиться устойчивого распространения и сжатия длительности частотно-модулированных ультракоротких лазерных импульсов в оптическом волокне с ростом скорости их частотной модуляции.