ЛАЗЕРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ШИРОКОГО СПЕКТРА

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам с нормальной дисперсией резонатора.
Современные волоконные лазеры 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)], чем выгодно отличаются от волоконных лазеров с аномальной дисперсией резонатора. Недостатком последних 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.
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 на выходе высоким значением скорости частотной модуляции (чирпом), обеспечивающим широкий спектр импульса. При погашении модуляции на внешнем 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.
Известна конструкция лазера симиларитонного типа - генератора импульсов с шириной спектра превышающей спектральную ширину линии усиления [Wise et al, pat. US 2012/9031100 B2]. Его схема представлена на Фиг. 1(а). Основными элементами лазера являются: 1 - устройство ввода накачки, 2 - активное волокно, легированное ионами редкоземельных элементов, 3 - оптический изолятор, 4 - 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], 5 - одномодовое волокно-модулятор с нормальной дисперсией, 6 - устройство вывода излучения, 7 - спектральный фильтр.
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) повышение мощности малого начального импульса с узким спектром в активном волокне, легированном редкоземельными ионами, 2) нелинейная фазовая самомодуляция, сопровождающаяся дисперсионным расплыванием в волокне-модуляторе, 3) вывод основной части импульса через устройство вывода и 4) спектральная фильтрация оставшейся в резонаторе части импульса. Эволюция идет циклично, т.е. отфильтрованный малый импульс вновь усиливается и т.д. Следует отметить, что активное волокно с нормальной дисперсией (2) обеспечивает существование нелинейного аттрактора, который определяет эволюцию малого начального узкополосного импульса. Волокно-модулятор с нормальной дисперсией (5) обеспечивает уширение спектра усиленного импульса за счет нелинейной фазовой самомодуляции (ФСМ), при этом степень уширения спектра растет с увеличением коэффициента нелинейности волокна-модулятора. В результате, ширина спектра импульса в точке вывода из резонатора (6) становится значительно выше, чем на выходе из усилителя. Значительное уширение спектра в волокне-модуляторе позволяет осуществлять более эффективное сжатие выходного импульса на внешнем компрессионном элементе по сравнению с лазером без волокна-модулятора. Описанная конструкция симиларитонного лазера взята за прототип. Вариантом прототипа является лазер, в котором в качестве волокна-модулятора используется волокно с нормальной дисперсией, уменьшающейся по гиперболическому закону. Последнее условие обеспечивает приближение формы огибающей импульса к параболической [Hirooka T., Nakazava M. «Parabolic pulse generation by use of a dispersion-decreasing fibre with normal group-velocity dispersion» Optics Letters. 29, 498 (2004)], что, в свою очередь, позволяет дополнительно повысить качество компрессии выходного импульса.
На Фиг. 2(а) и Фиг. 3(а) показаны огибающие и спектры импульсов симиларитонного лазера, используемого в качестве прототипа, со следующими параметрами: активное волокно имеет нормальную дисперсию , коэффициент нелинейности  и длину 10 метра. Коэффициент усиления малого сигнала 2.2 дБ/м, энергия насыщения усиления - 3 нДж. Дисперсия волокна-модулятора с длиной 10 м распределена по гиперболическому закону
<img file="00000004.tif" he="10" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />,
с начальной дисперсией . Коэффициент нелинейности волокна-модулятора . Коэффициент выхода (по мощности) сигнала на устройстве вывода - 90%, ширина спектрального фильтра (на полувысоте) - .
На Фиг 2(а) в сравнении показаны огибающие импульса на выходе из активного волокна - 1, на входе и выходе из волокна-модулятора - 2 и 3, соответственно, и после прохождения спектрального фильтра - 4.
На Фиг 3(а) в сравнении показаны спектры импульса на входе в активное волокно, т.е. после спектрального фильтра - 1, на выходе из активного волокна - 2, на выходе из волокна-модулятора - 3.
Недостатком прототипа является недостаточное уширение спектра выходного импульса.
Для устранения указанного недостатка предложена данная полезная модель.
Основной целью данной полезной модели является увеличение ширины спектра выходного импульса лазера симиларитонного типа.
:
Технический результатповышение эффективности нелинейной фазовой самомодуляции в волокне-модуляторе.
Технический результат достигается за счет локального повышения мощности импульса в резонаторе лазера на входе в волокно-модулятор при помощи компрессионного элемента с аномальной дисперсией.
Схема предлагаемой полезной модели лазера приведена на Фиг. 1(b). Здесь 1 - устройство ввода накачки, 2 - активное волокно, легированное ионами редкоземельных элементов, 3 - оптический изолятор, 4 - насыщающийся поглотитель, 5 - компрессионный элемент с аномальной дисперсией, например, пара дифракционных решеток, 6 - одномодовое волокно - модулятор с нормальной дисперсией, уменьшающейся по гиперболическому закону, 6 - устройство вывода излучения, 7 - спектральный фильтр. Отличие от прототипа заключается во введении дополнительного элемента 5, при помощи которого происходит локальное гашение частотной модуляции и повышение пиковой мощности импульса, распространяющегося в резонаторе. Повышение пиковой мощности импульса повышает эффективность процесса фазовой самомодуляции и обеспечивает дополнительное уширение спектра импульса.
На Фиг. 2(b) и Фиг. 3(b) показаны огибающие и спектры импульсов симиларитонного лазера, отличающегося от прототипа введением элемента с аномальной дисперсией .
На Фиг 2(b) в сравнении показаны огибающие импульса на выходе из активного волокна - 1, после прохождения насыщающегося поглотителя - 2, после прохождения компрессионного элемента, т.е на входе в волокно-модулятор - 3, на выходе из волокна-модулятора - 4 и после прохождения спектрального фильтра - 5. Как можно видеть, после прохождения компрессионного элемента пиковая мощность импульса возрастает, при этом форма огибающей импульса на выходе из волокна-модулятора отличается от прототипа лишь небольшими искажениями в области «крыльев» импульса.
На Фиг 3(b) в сравнении показаны спектры импульса на входе в активное волокно, т.е. после спектрального фильтра - 1, на выходе из активного волокна - 2 и на выходе из волокна-модулятора - 3. Как можно видеть, локальное повышение пиковой мощности импульса, эволюционирующего в резонаторе, приводит к значительному уширению спектра выходного импульса по сравнению с прототипом.
Таким образом, поставленная цель достигнута. Показано, что при использовании в лазере симиларитонного типа - генераторе импульсов с шириной спектра превышающей спектральную ширину линии усиления дополнительного компрессионного элемента ширина спектра выходного импульса может быть значительно увеличена. Последний факт может быть использован для более значительного сжатия выходного импульса симиларитонного лазера на внешнем компрессионном элементе и достижения более высоких пиковых мощностей сжатого импульса.
Важно также добавить, что предлагаемая полезная модель лазера допускает полностью волоконное исполнение, для этого вводимый в резонатор компрессионный элемент должен быть выполнен из фотоннокристаллического волокна с аномальной дисперсией и большой площадью моды, т.е. с малым параметром нелинейности.