ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО СВЕТОВОДА С ЗАПИСАННОЙ РЕШЕТКОЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным генераторам высокочастотных последовательностей ультракоротких солитоноподобных лазерных импульсов.
Одним из перспективных способов генерации последовательностей ультракоротких импульсов с высокой частотой следования является использование эффекта модуляционной неустойчивости (МН) в одномодовых волоконных световодах с непрерывно убывающей по длине дисперсией. Данный эффект заключается в распаде модулированной волны, распространяющей в нелинейном световоде, на последовательность ультракоротких импульсов (УКИ). При этом частота следования генерируемых импульсов соответствует частоте модуляции исходной волны. В процессе распространения излучения в волокне процесс сжатия импульсов циклически сменяется процессом дисперсионного уширения. Для световодов с дисперсией, убывающей по модулю вдоль длины волокна, нарушение симметрии дисперсионного распределения приводит к необратимой компрессии импульсов. Таким образом, одномодовые нелинейные световоды с убывающей аномальной дисперсией являются перспективными источниками для генерации высокочастотных последовательностей ультракоротких лазерных импульсов с высокой пиковой мощностью.
Известна конструкция генератора высокочастотных последовательностей ультракоротких импульсов солитонного типа [Опт. и спектр., 2017, том 122, №3, с. 135-142]. Основными элементами лазера являются генератор модулированного излучения накачки, устройство ввода излучения в световод, одномодовое нелинейное оптическое волокно с уменьшающейся по экспоненциальному закону аномальной дисперсией и устройство вывода излучения. Принцип генерации импульсов заключается в том, что при совместном действии нелинейных и дисперсионных эффектов происходит распад квазинепрерывной модулированной волны на последовательность ультракоротких импульсов, сопровождающейся одновременным уширением спектра.
Недостатками данной модели являются:
1) Необходимость использования неоднородных волокон большой длины, что неизбежно приводит к повышению потерь.
2) Невозможность достижения высокой степени сжатия начального импульса.
3) Сравнительно малые значения пиковой мощности генерируемых последовательностей импульсов.
Для устранения указанных недостатков предложена данная полезная модель, предполагающая наличие двух оптических световодов с записанными решетками показателя преломления, последовательно соединенных с пассивным волокном с убывающим профилем аномальной дисперсии групповых скоростей (DDF-световод).
Основной целью данной полезной модели является увеличение степени сжатия генерируемых импульсов и повышение их пиковой мощности.
Технический результат: повышение модуляционного усиления на начальной стадии развития модуляционной неустойчивости.
Технический результат достигается за счет замены волокна-модулятора с уменьшающейся по модулю аномальной дисперсией на модулятор, состоящий из последовательно соединенных волокон с аномальной изменяющейся по модулю дисперсией (DDF-световоды) и активного световода с записанной решеткой изменения показателя преломления волокна с аномальной экспоненциально уменьшающейся по модулю дисперсией.
Схема предлагаемой полезной модели лазера приведена на фиг. 1. Здесь 1 - генератор модулированного излучения накачки, 2 - устройство ввода излучения в периодическую структуру (DDF-световод), 3 - оптическое волокно с постоянным значением усиления, плавно убывающим периодом и возрастающей дисперсией групповых скоростей, 4 - пассивное оптическое волокно без усиления, плавно возрастающим периодом и убывающей дисперсией групповых скоростей, 5 - устройство вывода излучения, которым является второй пассивный световод, где реализуется сильная временная компрессия импульса.
Отличие от прототипа заключается в замене волокна-модулятора с экспоненциально убывающей дисперсией на волокно, состоящее из двух последовательно соединенных волокон: с постоянной дисперсией и экспоненциально убывающей по длине волокна дисперсией.
1 - источник слабомодулированного излучения.
2 - световод с экспоненциально убывающим профилем дисперсии (DDF-световод).
3 - усиливающее оптическое волокно с плавно убывающим периодом.
4 - пассивное оптическое волокно с плавно возрастающим периодом.
5 - пассивный световод - элемент для финальной компрессии.
В предлагаемой полезной модели эффективная компрессия ЧМИ реализуется за счет последовательно размещенных оптических световодов с записанными решетками показателя преломления и с симметричными относительно друг друга профилями дисперсии групповых скоростей. На фиг. 2 схематично изображен рассматриваемый волноводный каскад, представляющий собой два периодических световода одинаковой длины L со сформированными в них внутриволоконными решетками показателя преломления (фиг. 2, вставка), период Λ которых изменяется в соответствии с фиг. 2а.
1
2
2
20
20
-1
Плавное убывание периода решеток до некоторого минимального значения отвечает росту ДГС и существенному увеличению пиковой мощности начальной амплитуды. Возрастание периода до начальных значений приводил к спаду ДГС. В результате указанных изменений периода внутриволоконных решеток ПП реализуется сильная временная компрессия и выделение качественной последовательности ЧМИ. Первый световод характеризуется постоянным однородным усилением по всей длине g>0 и плавно уменьшающимся периодом решеток, второй световод является пассивным g=0 с плавно увеличивающимся периодом решеток ПП симметрично первому участку. Причем период отдельных решеток подбирался таким образом, чтобы изменение ДГС можно было также аппроксимировать некоторыми экспоненциальными профилями вида β=β ехр(±qz). Скорость изменения дисперсии q подбиралась численно и составляет q≈0.307 см. Первый световод характеризуется плавно уменьшающимся периодом решеток с 530.6 нм до 517.3 нм, вследствие чего ДГС возрастает на 3 порядка. На втором сегменте ДГС, напротив, претерпевает экспоненциальный спад до первоначального значения β.
20
2
-26
2
-27
2
Для практической реализации режима генерации ЧМИ в волоконную систему наряду с рассмотренным выше каскадом из периодических световодов может быть включен дополнительный пассивный элемент, представляющий собой участок волокна DDF типа с плавно убывающей дисперсией второго порядка. Слабомодулированное излучение от источника 1 подается на вход протяженного волокна DDF (элемент 2), после его прохождения за счет первичной временной компрессии происходит начальный процесс формирования последовательности ЧМИ с практически линейной частотной модуляцией (фиг. 3, кривая 1). Далее излучение подается в усиливающий световод 3, где наблюдается значительное повышение мощности последовательности импульсов (фиг. 3, кривая 2). Последним этапом является прохождение 3 и 4 элементов предлагаемой схемы, где реализуется незначительным временным сжатием импульсов и соответствующее возрастанием выходной пиковой мощности импульсов (фиг. 3, кривая 2). Параметры DDF волокна: длина l=1670 м, нелинейность R=0.001 1/(В⋅м), начальное значение дисперсии β=-5⋅10 с/м, конечное значение дисперсии β=-1⋅10 с/м.
20
2
-27
2
-23
2
-1
Параметры усилителя: длина l=0.2 см, нелинейность R=0.001 1/(В⋅м), начальное значение дисперсии β=-1⋅10 с/м, конечное значение дисперсии β=-1⋅10 с/м, параметр усиления g=0.06 см.
Важным параметром в данной схеме является длина пассивного волокна, от выбора которой зависит степень компрессии импульсов, поступающих в усиливающий сегмент. При малых значениях длин волокна (до 1000 м при выбранных расчетных параметрах) характеристики модулированного излучения, прошедшего первый этап, практически не изменяются и дальнейшая компрессия может происходить и без участка пассивного волокна. На больших длинах (свыше 2000 м) реализуется высокая степень компрессии ЧМИ, т.е. уже выделяется устойчивая последовательность ЧМИ с фиксированным значением пиковой мощности. Дальнейшее усиление в этом случае приводит к возникновению существенных фоновых искажений и распаду последовательности.
Замена начального отрезка волокна с убывающей дисперсией на сегмент волокна с постоянной аномальной дисперсией способствует повышению модуляционного усиления на данном участке. Дополнительный выигрыш связан со снижением потерь из-за использования неоднородного волокна меньшей длины. В итоге, как можно видеть, технический результат достигается за счет использования световода-модулятора из последовательно соединенных секций с аномальной постоянной и экспоненциально уменьшающейся по модулю дисперсией. Как следствие, удается значительно увеличить пиковую мощность генерируемых импульсов.
Таким образом, поставленная цель достигнута. Показано, что при использовании в волоконном генераторе последовательностей ультракоротких импульсов однородного волокна премодулятора с аномальной постоянной по модулю дисперсией обеспечивается генерация субтерагерцевой последовательностей импульсов с более высокой степенью сжатия и пиковой мощностью, чем при использовании одиночных неоднородных световодов.