ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике оптических волоконных усилителей и генераторов лазерных импульсов.
Одной из основных проблем современной физики лазеров является генерация излучения с высокой спектральной плотностью, необходимого в целом ряде задач, например, при преобразовании частот при помощи нелинейных кристаллов - для генерации суммарных и разностных частот, параметрической генерации. Важно отметить, что в некоторых спектральных диапазонах излучение может быть получено только такими способами. Для достижения эффективной нелинейной конверсии необходимо добиться высокой интенсивности излучения в заданной области спектра. Стандартным решением является использование лазерных источников импульсов сверхкороткой длительности, у которых пиковая мощность импульса на порядки превосходит среднюю мощность источника. Недостатком данного способа является то, что импульсы сверхкороткой длительности обладают широким спектром, и в необходимом спектральном диапазоне оказывается сконцентрированной лишь небольшая часть энергии импульса. Для устранения указанного недостатка предлагается данная полезная модель.
Цель: повысить интенсивность излучения в заданном спектральном диапазоне.
Технический результат: уменьшить ширину спектра импульса без значительных потерь его энергии - и без существенного искажения формы спектральной линии.
Технический результат достигается за счет использования эффекта нелинейной фазовой самомодуляции (ФСМ), сопровождающего распространение импульса в волоконном световоде и приводящего к компрессии спектра импульса с отрицательной частотной модуляцией (чирпом), а также за счет правильного выбора формы огибающей исходного импульса. При этом максимальная степень компрессии спектра достигается при параболической форме огибающей.
3+
Известна система генерации параболических лазерных импульсов высокой энергии (Patent US 2004/0028326 A1, Fermann et al), состоящая из источника ультракоротких лазерных импульсов, системы накачки и активного волокна с нормальной дисперсией групповых скоростей (ДГС), легированного редкоземельными ионами, например Yb. В предлагаемой оптической системе (Фиг. 1) предложен вариант схемы для спектральной компрессии лазерных импульсов с PS-элементом, отвечающего за параболизацию спектра.
Известно, что распространение ультракоротких импульсов в активном нелинейном оптическом волокне, описывается нелинейным уравнением Шредингера (НУШ) с усилением (Agrawal G., "Nonlinear fiber optics" (Springer, fourth edition, 2007, 530 p.)
Здесь A(z,τ) - медленно меняющаяся амплитуда импульса, D - ДГС активного волокна, R - коэффициент керровской нелинейности волокна.
0
Принцип действия известной системы основан на том, что огибающая ультракороткого лазерного импульса, усиливающегося в оптическом волокне с постоянным коэффициентом усиления и постоянной нормальной ДГС, асимптотически при z→∞ стремится к параболическому виду, масштабирующемуся с ростом координаты импульса, при этом амплитуда и фаза асимптотического параболического решения не зависят от начальной формы импульса, а определяются только начальной энергией импульса Е и параметрами активного волокна.
Вариант системы для компрессии спектров лазерных импульсов показан на Фиг. 1. В таблице 1 введены соответствующие обозначения для параметров дисперсии групповых скоростей D и нелинейности R, характеризующие каждый элемент системы.
В стандартной схеме СК на первом этапе изначально частотно немодулированный импульс проходит линейный диспергирующий элемент, где он приобретает отрицательный линейный чирп. Наилучшим образом этот процесс можно осуществить при помощи пары дифракционных решеток. Амплитуда огибающей импульса после прохождения этого элемента, может быть записана в виде
2
где С<0 - скорость частотной модуляции. На следующем и последнем этапе импульс с отрицательной частотной модуляцией инжектируется в нелинейное волокно. Там, при распространении, импульс подвергается воздействию ФСМ, которая придает импульсу частотную модуляцию противоположную исходной, т.е. в фазе импульса появляется дополнительное слагаемое, пропорциональное длине распространения z- γ|а|z. В результате, частотная модуляция импульса приобретает достаточно сложный вид, зависящий от формы огибающей импульса a(t), начальной частотной модуляции и длины распространения
Ширина спектра импульса, обладающего высокой частотной модуляцией ϕ'(t). Таким образом, на определенной длине волокна за счет компенсации отрицательного чирпа можно добиться минимальной частотной ширины спектра, т.е. его максимальной компрессии. Очевидно, что качество компрессии зависит от формы огибающей a(t). Можно показать, что параболический вид огибающей импульса
0
обеспечивает наилучший результат, где Р - пиковая мощность.
Действительно, в бездисперсионном случае D=0 на некоторой дистанции z=L, частотная модуляция может быть полностью скомпенсирована
min
min
т.е. импульс становится спектрально ограниченным , при этом достигается минимальная ширина спектра. В приближении стандартного вариационного метода, согласно которому распространяющийся импульс сохраняет форму огибающей, несложно провести оценку влияния ДГС на длину СК. Результаты показывают, что по отношению к бездисперсионному случаю, СК значительно быстрее проходит в волокнах с нормальной ДГС. Вследствие сопутствующей временной компрессии импульса минимальная ширина спектра ΔΩ, достижимая при компрессии в волокне с нормальной ДГС, несколько больше величины ΔΩ, получаемой в бездисперсионном случае (при D=0).
Рассматривая лазерные источники с другим профилем импульса, например, гауссовым, отметим, что в отличие от случая параболической огибающей их спектральная компрессия сопровождается появлением искажений - ФСМ лишь частично либо локально компенсирует начальный чирп, что характеризуется появлением "крыльев" и/или "пьедестала" в сжатом спектре импульса и значительно снижает эффективность процесса. На основании вышеизложенного предлагается модернизировать схему стандартной СК, добавив в ее состав дополнительный PS-элемент (parabolizator spectrum), обеспечивающий плавное преобразование начальной формы огибающей импульса к параболе (Фиг. 1). Сделать это возможно, например, при использовании современных технологий оптического процессинга - формированием импульса с заданным профилем огибающей и необходимой частотной модуляцией. В качестве таких элементов могут быть рассмотрены программируемые фазовые маски на жидких кристаллах или программируемые акустооптические фильтры. Однако, использование таких сложных и дорогостоящих элементов не является обязательным. Как известно, параболический профиль огибающей импульс приобретает автоматически при прохождении в нелинейном волокне с гиперболически убывающей нормальной дисперсией. Этот эффект связан с тем, что распространение импульса в световоде с убывающей нормальной ДГС, вследствие относительного роста влияния нелинейности, эквивалентно распространению в усиливающей среде с бесконечно широкой полосой усиления. Его результатом становится образование параболического симиляритонного импульса (т.е. изменяющегося "самоподобно") с линейным чирпом. Технологически световоды с изменяющейся ДГС и постоянным при этом параметром нелинейности волокна у, могут быть изготовлены, например, на основе волокон с W-профилем показателя преломления в поперечном сечении. При их вытяжке можно достичь существенного изменения ДГС за счет небольшой вариации диаметра волокна, при этом площадь моды и коэффициент нелинейности вдоль такого с большой степенью точности можно считать постоянными. Дополняя систему таким элементом, возможно переформировать огибающую и добиться улучшения качества СК на финальном этапе.
р
sc
На Фиг. 2 приведена эволюция спектра огибающей импульса по мере его прохождения по модернизированному волоконному каскаду. Штриховой линией обозначена граница между элементом, отвечающим за параболизацию спектра (PS-элемент), и компрессором спектра (SC-элемент), представленными в виде волоконных световодов с различными значениями дисперсии и нелинейности. По мере прохождения импульса через PS-элемент наблюдается плавное уширение его спектра, и на длине волокна l=100 м форма огибающей импульса приближается к параболической. Спектральная плотность при этом снижается практически в 4 раза, а пиковая мощность импульса уменьшается более чем в 50 раз. Подготовленный импульс проходит через дифракционные решетки, где его чирп инвертируется, и далее, в SC-волоконном элементе с постоянной нормальной дисперсией осуществляется спектральная компрессия импульса за счет постепенной компенсации отрицательной частотной модуляции. При выбранных расчетных параметрах максимальная компрессия спектра реализуется в волокне длиной l=225 м.
В результате можно видеть, что предлагаемая полезная модель благодаря достижению технического результата - сужению спектра импульса обеспечивает выполнение поставленной цели, а именно повышению качества компрессии спектра и генерации лазерных импульсов высокой спектральной плотности.