Лазерный генератор импульсов широкого спектра

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам.
Одними из наиболее многообещающих для генерации импульсов высокой пиковой мощности лазеров являются симиларитонные лазеры с нормальной дисперсией резонатора, 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 с нормальной дисперсией, 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.
На Фиг. 2(а) показана эволюция огибающей 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
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 - 9, на входе и выходе из волокна-модулятора - 10 и 11 соответственно и после прохождения спектрального фильтра - 12.
Недостатком прототипа является недостаточное уширение спектра выходного импульса.
Для устранения указанного недостатка предложена данная полезная модель.
Основной цельюданной полезной модели является увеличение ширины спектра выходного импульса лазера симиларитонного типа.
Технический результат:повышение эффективности нелинейной фазовой самомодуляции в волокне-модуляторе.
Технический результатдостигается за счет замены волокна-модулятора с уменьшающейся по длине нормальной дисперсией на волокно-модулятор с   аномальной экспоненциально уменьшающейся по модулю 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 - одномодовое волокно-модулятор с аномальной дисперсией, уменьшающейся по экспоненциальному закону, 6 - устройство вывода излучения, 7 - спектральный фильтр. Отличие от прототипа заключается в замене волокна-модулятора с нормальной дисперсией на волокно-модулятор с аномальной, заданным образом уменьшающейся по длине волокна, дисперсией. Распространение импульса по волокну-модулятору осуществляется в режиме самоподобной солитонной компрессии, при этом  повышение пиковой мощности импульса и рост частотной модуляции обеспечивает дополнительное уширение спектра импульса.
На Фиг. 2(b) показаны огибающие и спектры импульсов симиларитонного лазера, отличающегося от прототипа заменой волокна-модулятора с нормальной дисперсией на волокно-модулятор с аномальной дисперсией, уменьшающейся по экспоненциальному закону
-1
с длиной 50 м, начальной дисперсией  и декрементом  м.
На Фиг. 2(b) в сравнении показаны огибающие импульса на выходе из активного волокна - 9, после прохождения насыщающегося поглотителя - 10, после прохождения насыщающегося поглотителя, т.е. на входе в волокно-модулятор - 11, на выходе из неоднородного световода с аномальной дисперсией, в котором осуществляется временное сжатие частотно-модулированного импульса - 12 и после прохождения спектрального фильтра - 13. Как можно видеть, после прохождения световода с аномальной экспоненциально уменьшающейся по модулю дисперсией длительность импульса значительно уменьшается, а его пиковая мощность возрастает. Последнее означает, что ширина выходного спектра значительно увеличивается.
Таким образом, поставленная цель достигнута. Показано, что при использовании в лазере симиларитонного типа неоднородного волокна-модулятора с аномальной экспоненциально уменьшающейся по модулю дисперсией обеспечивается генерация импульсов с шириной спектра, превышающей ширину спектра импульса прототипа и спектральную ширину линии усиления. Кроме того, неоднородный световод с аномальной дисперсией обеспечивает значительное временное сжатие лазерных импульсов вплоть до фемтосекундных длительностей.