Измерение ультракоротких импульсов в реальном времени, исследование их формирования и взаимодействия

ИЗМЕРЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ, ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Чернышева М.А.

Leibniz Institute of Photonic Technologies, Jena, Germany * E-mail: maria.chernysheva@eibniz-ipht.de

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16097

Открытие лазеров с пассивной синхронизацией мод, способных генерировать импульсы ультракороткой длительности, привело к революционным изменениям в таких областях как обработка материалов, локация, медицина. Одновременно возникла необходимость характеризации режимов генерации, а именно длительности и профиля импульса.

Использование фотодиодов и осциллографов для детектирования импульсов по сей день остается самым предпочтительным методом, так как позволяет напрямую наблюдать за динамикой импульсов. Благодаря недавнему прогрессу в электронике, современные цифровые запоминающие осциллографы получили возможность сохранять достаточно длинные последовательности явлений (в несколько миллисекунд и более). Это позволяет далее при обработке данных перейти от привычной одномерной последовательности к двумерной картине пространственно-временной динамики интенсивности, а следовательно, наблюдать эволюцию записанных явлений в течение тысяч времен обхода резонатора [1]. Однако, разрешение самых современных систем ограничено в ~100 ГГц. К сожалению, такое разрешение все еще недостаточно для точного восстановления фемтосекундных и тем более аттосекундных импульсов.

Исторически, из-за отсутствия прямых способов измерений внимание ученых обратилось в сторону использования нелинейных эффектов. Так, использование методов автокорреляции интенсивности или интерференционной автокорреляции является самым распространенным и точным способом измерения длительности импульсов вплоть до 10 фс. Данный способ позволяет восстановить профиль импульса с помощью достаточного большого усреднения, а следовательно, не позволяет наблюдать за эволюцией импульса во реальном времени. В течение нескольких последних декад данный способ был усовершенствован добавлением измерении фазы и появились такие техники как FROG - частотно-разрешённое оптическое стробирование, или SPIDER - спектрально-фазовая интерференция для прямой реконструкции электрического поля.

Наиболее недавнее направление в исследовании ультракоротких импульсов нацелено на реконструкции временного профиля, фазы и спектра в реальном времени. Данные методы задействуют как прямое детектирование с помощью современных фотодиодов и осциллографов, так и нелинейные и дисперсионные эффекты. Наиболее привлекательными оказались как так-называемый метод «временной-линзы» [2] и дисперсионного преобразования Фурье [3]. Последний метод использует аналогию между дифракцией Фраунгофера в дальнем поле и распространением импульса в среде с большой дисперсией. Суть данного метода состоит в том, что при распространении импульса в оптическом волокне с высокой дисперсией и пренебрежительно малой нелинейностью или отражения от решетки с достаточно большим чирпом, временная форма импульса преобразуется в спектральную и может быть измерена непосредственно с помощью фотодетектора и осциллографа. Таким образом возможно записать карту изменения спектральной интенсивности в течение тысяч времен обхода резонатора. Дальнейшее применение быстрого Фурье преобразования позволяет снова перейти от спектрального профиля к временному - автокорреляционной функции, но с более лучшим разрешением чем разрешение измерительной установки, и достичь таким образом разрешения в 100 фс с шириной полосы 10 нм в реальном времени.

В данном докладе будет представлено экспериментальное исследование динамики ультракоротких импульсов в процессе их формирования и становление стабильного режима генерации на примере двунаправленного эрбиевого волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод. Для исследования эволюции параметров импульсов использовался метод дисперсионного преобразования Фурье. В настоящее время было показано множество теоретических работ изучающих становление режима пассивной синхронизации мод, однако было представлено только две работы, экспериментально пронаблюдавшие зарождение импульса [4,5]. Все исследования были проведены в однонаправленных лазерах, и по настоящее время нет полного понимания влияние взаимодействия встречных излучений в активной среде и насыщающемся поглотителе на формирования импульсов.

В работе использовался кольцевой волоконный лазер, активной средой в котором являлся световод легированный Эрбием [6], представленный на Рис. 1а. Пассивная синхронизация мод

194 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

реализована посредством нелинейной эволюции поляризации и насыщающегося поглотителя на основе одностенных углеродных нанотрубок. Нелинейная эволюция поляризации осуществляется с помощью пары котроллеров поляризации (ПК) и поляризующего световода (ПЗ). 50/50 ответвитель позволяет вывести встречные канали в равной пропорции. Далее импульсы были сведены в один канал с помощью 50/50 ответвителя. Длина портов ответвителя была подобрана таким образом что импульсы, распространяющиеся по направлению часовой стрелки (CW) приходили ровно в середину периода повторения импульсов, распространяющихся по направлению против часовой стрелки (CCW). Один из выходных портов ответвителя шел непосредственно на фотоприемник для измерения пространственно-временной эволюции интенсивности, а второго - через катушку световода с нормальной дисперсией - для дисперсионного преобразования Фурье. Величина дисперсии в линии составляет +1200 пс2. После того как в лазере был достигнут режим двунаправленной генерации импульсов, лазер накачки был выключен, а триггер на осциллографе был выставлен таким образом, чтобы он записал одно измерение (длительностью 3 мс) как только установится режим. После чего накачка была снова включена на уровень 80 мВт. На рис. 1б изображены карты спектральной интенсивности при зарождении импульсов во встречных каналах. После анализа данных и выполнения быстрого преобразования Фурье были получены карты интенсивности эволюции автокорреляционной функции зарождающихся импульсов (рис. 1в).

Из рис 1б-в видно, что при формировании импульсов оба канала проходят через одинаковые этапы: вибрации импульсов, формирование комплекса импульсов, доминирование одного импульса из комплекса и аннигиляция других суб-импульсов.

Эрбиееый

световод мультиплексор

CL CO 10

CW 20

доо 600 seo íooa Обходы резонатора

1000 1ZC0

Обходы резонатора

Рис. 1 а) Схема двунаправленного волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод и установки для измерения выходных импульсов в реальном времени: б) эволюция оптического спектра и в) автокорреляционной функции встречных каналов

Литература

1. S. Sugavanam, N Tarasov, DV Churkin "Real-Time Intensity Domain Characterization of Fibre Lasers Using Spatio-Temporal Dynamics," Applied Sciences 6

2. A. Tikan, et al. "Single-shot measurement of phase and amplitude by using a heterodyne time-lens system and ultrafast digital time-holography." Nature Photonics 12

3. K. Goda, and B. Jalali. "Dispersive Fourier transformation for fast continuous single-shot measurements." Nature Photonics 7.2102

4. G. Herink, B. Jalali, C. Ropers, D. R. Solli "Resolving the build-up of femtosecond mode-locking with singleshot spectroscopy at 90 MHz frame rate," Nature Photonics 10, 321-326

5. J. Peng, et al. "Real-time observation of dissipative soliton formation in nonlinear polarization rotation mode-locked fibre lasers," Communications Physics 1, 20

6. M. Chernysheva, et al. "Isolator-free switchable uni-and bidirectional hybrid mode- locked erbium-doped fiber laser," Optics Express 24

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

195