УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована в системах передачи информации с помощью сверхкоротких световых импульсов.
Известно устройство для формирования последовательности фемтосекундных световых импульсов (патент США №6583911, опубл. 24.06.2003), включающее фемтосекундный лазер, выход которого оптически сопряжен с широтно-импульсным модулятором. В данном устройстве информация, которую необходимо передать с помощью оптических импульсов, кодируется и поступает на вход широтно-импульсного модулятора. Длительность каждого импульса в последовательности фемтосекундных импульсов модулируется и, таким образом, последовательность в целом может нести определенную информацию. Недостатком данного устройства является сложность практической реализации, связанная с осуществлением технологии широтно-импульсной модуляции, а также ограниченное быстродействие, т.к. временной интервал между фемтосекундными импульсами лежит в нано- или субнаносекундном диапазоне. Частотный диапазон работы устройства, тем самым, не превышает несколько ГГц.
Известно устройство для формирования последовательности фемтосекундных световых импульсов (патент США №4681436, опубл. 21.07.1987), включающее фемтосекундный лазер, а также последовательно расположенные по ходу луча разделитель пучка и управляемую линию задержки. Данное устройство предназначено для измерения длительности лазерных импульсов с фемтосекундным разрешением и не может быть использовано для высокоскоростной передачи информации, поскольку не обеспечивает возможности управления последовательностью фемтосекундных световых импульсов в терагерцовом диапазоне спектра.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для формирования последовательности фемтосекундных световых импульсов, описанное в статье ("Mutual coherence of supercontinuum pulses collineary generated in bulk media", Appl. Phys. B77, pp.285-290, 2003). Данное принятое за прототип устройство включает фемтосекундный лазер, разделитель пучка, управляемую линию задержки и оптический элемент для генерации спектрального суперконтинуума за счет сверхуширения спектра отдельного фемтосекундного импульса, а также спектрометр. В данном устройстве продемонстрирована возможность наблюдения модуляции спектра фемтосекундных импульсов в условиях генерации суперконтинуума при их коллинеарном распространении в нелинейной среде. Недостатком прототипа является отсутствие возможности его использования в качестве источника управляемой последовательности фемтосекундных световых импульсов. Это обстоятельство не позволяет применять данное устройство в системах информационного обмена.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в том, чтобы обеспечить возможность генерации управляемой последовательности фемтосекундных световых импульсов и применения заявляемого устройства в качестве источника в системе высокоскоростного информационного обмена в терагерцовом диапазоне спектра.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для формирования последовательности фемтосекундных световых импульсов, включающем последовательно расположенные фемтосекундный лазер, разделитель пучка, управляемую линию задержки, а также оптический элемент для генерации спектрального суперконтинуума, указанный оптический элемент для генерации спектрального суперконтинуума расположен между выходом фемтосекундного лазера и разделителем пучка, а устройство дополнительно содержит управляемый спектральный модулятор, вход которого оптически сопряжен с выходом управляемой линии задержки.
Кроме того, заявляемое устройство может дополнительно включать блок управления и синхронизации, электрически соединенный с фемтосекундным лазером, управляемой линией задержки и управляемым спектральным модулятором.
Кроме того, в заявляемом устройстве оптический элемент для генерации спектрального суперконтинуума может быть выполнен в виде одномодового оптического волокна с нормальной дисперсией групповой скорости на частоте излучения генерации фемтосекундного лазера.
Кроме того, управляемый спектральный модулятор может быть выполнен в виде двух встречно расположенных компонентов для пространственного преобразования спектра, между которыми расположен управляемый пространственный фильтр.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами. На Фиг.1 показана схема заявляемого устройства. На схеме изображены фемтосекундный лазер 1, оптический элемент 2 для генерации спектрального суперконтинуума, разделитель пучка 3, управляемая линия задержки, включающая неподвижный отражатель 4 и отражатель 5, выполненный с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно разделителя пучка 3, управляемый спектральный модулятор 6 и блок управления и синхронизации 7. На Фиг.2 представлена схема управляемого спектрального модулятора 6, включающая входной 8 и выходной 9 компоненты для пространственного преобразования спектра, между которыми расположен управляемый пространственный фильтр 10. На Фиг.3(а-в) представлены графики спектра излучения, поступающего на вход спектрального модулятора 6 (Фиг.3а), а также спектра излучения (Фиг.3б) и временной диаграммы последовательности фемтосекундных импульсов (Фиг.3в) на выходе управляемого спектрального модулятора 6.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Авторами обнаружен эффект влияния искажений спектра коллинеарно распространяющихся и интерферирующих фемтосекундных световых импульсов с квазилинейной фазовой модуляцией, возникающей на этапе развития спектрального суперконтинуума при распространении в диэлектрических средах с безынерционной кубической нелинейностью, на временную последовательность фемтосекундных импульсов, следующих друг за другом с частотой в несколько десятков ТГц. В работе («Фазовая модуляция фемтосекундных световых импульсов, спектры которых сверхуширены в диэлектриках с нормальной групповой дисперсией», Оптический журнал, т.75, №10, 2008, сс.3-7) авторами теоретически показано, что в результате интерференции двух фемтосекундных импульсов с линейной фазовой модуляцией может образовываться последовательность сверхкоротких импульсов, центральная частота каждого из которых несколько отличается от частоты предыдущего. Указанная последовательность имеет квазидискретный спектр, при этом каждому компоненту спектра излучения соответствует конкретный импульс в последовательности. Искажение спектрального компонента (например, его подавление с помощью управляемого поглощающего фильтра) приводит к искажению (подавлению) конкретного импульса в последовательности, что открывает возможность получения управляемой последовательности фемтосекундных импульсов, длительность каждого из которых может составлять лишь несколько периодов колебания световой волны. Это свойство может быть использовано для кодирования информации с частотой до 100 ТГц.
В примере наилучшей реализации заявляемого устройства в качестве фемтосекундного лазера 1 может быть использован лазер на титане с сапфиром, генерирующий одиночный световой импульс в фемтосекундном диапазоне длительностей. В качестве оптического элемента 2 для генерации спектрального суперконтинуума может быть использовано одномодовое кварцевое волокно с нормальной дисперсией групповой скорости на длине волны генерации фемтосекундного лазера 1. Длина волокна выбирается из условия обеспечения линейной или квазилинейной фазовой модуляции фемтосекундного импульса, возникающей из-за безынерционной кубической нелинейности показателя преломления материала сердцевины волокна (кварца). В качестве разделителя пучка 3 может быть использовано диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 50% на длине волны генерации фемтосекундного лазера 1. В управляемом спектральном модуляторе 6 входной 8 и выходной 9 компоненты для пространственного преобразования спектра могут быть выполнены в виде дисперсионных призм или дифракционных решеток, а управляемый пространственный фильтр 10 может быть выполнен в виде амплитудного жидкокристаллического транспаранта с управляемым пропусканием.
Важно отметить, что в отличие от прототипа в заявляемой полезной модели оптический элемент 2 для генерации спектрального суперконтинуума расположен в оптической схеме устройства перед разделителем пучка 3. Это обеспечивает абсолютно одинаковые параметры уширения спектра для интерферирующих импульсов, тогда как в прототипе эти параметры могут существенно изменяться из-за неконтролируемых потерь в плечах линии задержки.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом. Блок управления и синхронизации 7 осуществляет выработку сигналов для запуска генерации фемтосекундного лазера 1, установления величины временной задержки в управляемой линии задержки и формирования пространственного профиля модуляции управляемого пространственного фильтра 10 в управляемом спектральном модуляторе 6. Одиночный фемтосекундный световой импульс с выхода фемтосекундного лазера 1 поступает на вход оптического элемента 2 для генерации спектрального суперконтинуума. При распространении в оптическом элементе 2 спектр фемтосекундного светового импульса за счет кубической оптической нелинейности материала испытывает фазовую модуляцию, а длительность импульса увеличивается в несколько раз из-за нормальной дисперсии групповой скорости оптического элемента 2. Таким образом, в оптическом элементе 2 возникает генерация спектрального суперконтинуума. После прохождения оптического элемента 2 световой импульс поступает на вход разделителя пучка 3 и разделяется на два равных импульса, каждый из которых проходит через соответствующее плечо линии задержки. Линия задержки, образованная отражателями 4 и 5, формирует на своем выходе два коллинеарно распространяющихся световых импульса, сдвинутых друг относительно друга во времени. В результате интерференции этих импульсов на вход управляемого спектрального модулятора 6 поступает последовательность фемтосекундных импульсов, следующих друг за другом с частотой, определяемой величиной временного сдвига в линии задержки, и гармонически модулированным спектром. На Фиг.3а показан спектр импульса, поступающего на вход управляемого спектрального модулятора 6. В управляемом спектральном модуляторе 6 входной компонент 8 осуществляет пространственное преобразование спектра падающего импульса, в результате чего происходит пространственное разделение частот излучения. Далее световой импульс с пространственно разделенным спектром поступает на управляемый пространственный фильтр 10, в результате чего определенные выбранные оператором спектральные компоненты излучения могут быть подавлены. Далее световой импульс с преобразованным спектром поступает на выходной компонент 9 управляемого спектрального модулятора 6, который осуществляет пространственное сведение спектральных компонент излучения на выходе управляемого спектрального модулятора 6 и выходе устройства в целом. В результате спектрального преобразования спектр импульса на выходе управляемого спектрального модулятора 6 может иметь вид, изображенный на Фиг.3б. На Фиг.3б видно, что спектральные компоненты №№7, 9. 11 и 13 (изображенные пунктиром) в выходном излучении подавлены относительно соответствующих значений спектральной плотности излучения сигнала, поступающего на вход управляемого спектрального модулятора 6. На Фиг.3в изображена временная диаграмма последовательности фемтосекундных импульсов на выходе спектрального модулятора 6, на которой видно, что фемтосекундные импульсы №№7, 9. 11 и 13 в указанной последовательности отсутствуют.
Таким образом, заявляемая полезная модель в совокупности существенных признаков является новой и обеспечивает достижение технического результата, состоящего в обеспечении возможности генерации управляемой последовательности фемтосекундных световых импульсов и применения заявляемого устройства в качестве источника в системах высокоскоростного информационного обмена.