Генератор лазерных импульсов с элементом спектральной компрессии

В круге задач современной лазерной физики можно выделить важное направление, связанное с разработкой генераторов импульсов излучения высокой энергии, необходимых в большом числе приложений - обработке материалов, оптической связи, медицине и т.п. Перспективными источниками импульсов такого типа являются волоконные лазеры с синхронизацией мод и с большой нормальной дисперсией резонатора [W.H. Renninger, A. Chong, F. W. Wise. Giant chirp oscillators for short-pulse fiber amplifiers. Opt. Lett. 2008. V.33. Iss.24. P. 3025]. В последние годы развитие волоконных лазеров с большой нормальной дисперсией резонатора тесно связано с концепцией т.н. симиляритонных лазеров-усилителей. Отличительным свойством этих лазеров является то, что параметры импульса - ширина спектра, длительность, энергия - сильно изменяются при каждом прохождении резонатора. Активное волокно, в котором происходит усиление импульса, в этом случае действует как сильный нелинейный аттрактор, в котором короткий начальный импульс трансформируется в импульс параболической формы с линейной частотной модуляцией. Получаемый параболический импульс характеризуется самоподобной эволюцией, что позволяет отнести его к классу «симиляритонов». Важным элементом таких лазеров является сильный спектральный фильтр, помещаемый перед активным волокном. Его роль состоит в стабилизации параметров импульса перед усилением, что в итоге позволяет импульсу сближаться с симиляритонной асимптотикой в пределах активного волокна [B. G. Bale, S.Wabnitz. Strong spectral filtering for a mode-locked similariton fiber laser. Opt. Lett. 2010. V.35. Iss. 14. P. 2466]. Недостатком данной схемы являются значительные потери энергии на узком фильтре, что приводит к низкой эффективности симиляритонных лазеров.
Для устранения данного недостатка предложена схема лазера-усилителя - генератора симиляритонных импульсов с элементом спектральной компрессии [S. Boscolo, S.K. Turitsyn, C. Finot. Amplifier similariton fiber laser with nonlinear spectral compression. Opt. Lett. 2012. V. 37. Iss. 21. P.4531]. Эта схема используется в качестве прототипа. Основными его элементами являются волоконный усилитель, насыщающийся поглотитель, оптические полосовые фильтры, пара дифракционных решеток и нелинейный спектральный компрессор. Принцип действия прототипа состоит в следующем. Волоконный усилитель на основе отрезка легированного нелинейного волокна с нормальной дисперсией групповых скоростей (ДГС) обеспечивает усиление малого сигнала и выход усиленного импульса на симиляритонную асимптотику. Далее усиленный импульс попадает во второй элемент схемы, обеспечивающий синхронизацию мод, где происходит его стабилизация. В качестве этого элемента в модели [S. Boscolo, S. K. Turitsyn, C. Finot. Amplifier similariton fiber laser with nonlinear spectral compression. Opt. Lett. 2012. V. 37. Iss. 21. P.4531] использован стандартный насыщающийся поглотитель, например, на основе углеродных нанотрубок либо полупроводникового зеркала SESAM. Далее, прошедший через насыщающий поглотитель импульсный сигнал корректирует свою форму при прохождении через широкий оптический фильтр и приобретает отрицательную частотную модуляцию на дисперсионной линии задержки, которая состоит из пары дифракционных решеток. Импульс с приобретенной отрицательной частотной модуляцией, распространяясь в последнем основном элементе лазерной системы - волоконном спектральном компрессоре с нормальной ДГС, претерпевает нелинейную компрессия спектра. После спектральной компрессии наузком оптическом фильтре осуществляется подавление боковых «крыльев» импульса. Благодаря спектральной компрессии потери энергии на этом фильтре невелики. Далее основная часть импульса выводится из системы через выходной ответвитель, а оставшаяся часть снова поступает на вход усиливающего элемента.
При исследовании модели-прототипа методами численного моделирования выявлен следующий основной недостаток. Используемый в модели элемент - насыщающийся поглотитель (НП) не обеспечивает необходимого уровня стабилизации генерируемого импульса. Успешная генерация импульса из начального низкоамплитудного шума возможна только при очень высоком уровне коэффициенте насыщения поглотителя, близком к единице, что нехарактерно для реальных насыщаемых поглотителей на основе углеродных нанотрубок или полупроводниковых зеркал типа SESAM.
Для устранения указанного недостатка предлагается настоящая полезная модель.
Основной целью данной полезной модели является разработка модели генератора лазерных импульсов с элементом спектральной компрессии, способного генерировать симиляритонные импульсы при высокой эффективности генерации.
Техническим результатом является повышение стабильности генерации импульсов генератором лазерных импульсов с элементом спектральной компрессии.
Технический результат достигается за счет использования в качестве насыщающегося поглотителя двух туннельно-связанных световодов, обеспечивающих при малой мощности сигнала полную перекачку излучения из одного световода в другой, при этом один из связанных световодов включен в резонатор между усилителем и широкополосным фильтром, а сигнал с выхода второго световода выводится из резонатора. Принцип действия данного насыщающегося поглотителя связан с тем, что при повышении мощности сигнала нелинейная фазовая модуляция препятствует его перекачке в связанный световод [Winful, H.G., & Walton, D.T. (1992). Passive mode locking through nonlinear coupling in a dual-core fiber laser. Optics letters, 17(23), 1688-1690]. Таким образом, основной импульс высокой пиковой мощности остается в резонаторе, а низкоамплитудное фоновое излучение выводится из резонатора. Использование такой искусственной конструкции в качестве насыщающегося поглотителя позволяет повысить его характеристики и обеспечить стабилизацию генерируемого импульса.
Схема кольцевого резонатора генератора лазерных импульсов с элементом спектральной компрессии, состоящая из следующих элементов изображена на фиг. 1:
1 - усилитель, представленный нелинейное волокно с нормальной ДГС
2 - насыщающийся поглотитель (НП), образованный двумя туннельно-связанными световодами
3 - широкий оптический фильтр
4 - пара дифракционных решеток
5 - спектральный компрессор (СК), представленный нелинейным волокном с положительной ДГС
6 - узкий оптический фильтр
7 - устройство вывода
В отличие от прототипа, насыщающий поглотитель, используемый в предлагаемой полезной модели, полностью подавляет низкоамплитудный шум и обеспечивает стабилизацию генерации симиляритонных импульсов.
Далее рассмотрим основные характеристики предлагаемого генератора при значениях параметров, зафиксированных в Таблице 1.
Таблица 1. Предлагаемые параметры лазерного генератора импульсов с элементом спектральной компрессии
№
1
2
3
4
5
6
Элемент
Усилитель
Насыщающийся поглотитель
Широкий фильтр
Дифракционные решетки
Спектральный компрессор
Узкийфильтр
Параметр
<img file="00000001.jpg" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Коэфф.нелинейности
<img file="00000002.jpg" he="6" wi="16" img-content="undefined" img-format="jpg" />
ДГС,
<img file="00000003.jpg" he="12" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Насыщение усиленияE<sub>g</sub>, Дж
<img file="00000004.jpg" he="9" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000005.jpg" he="8" wi="11" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000006.jpg" he="8" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000007.jpg" he="5" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Ширина на полувысоте,<img file="00000008.jpg" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />Гц
<img file="00000009.jpg" he="6" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000010.jpg" he="8" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000011.jpg" he="8" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000012.jpg" he="5" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Ширина на полувысоте,
<img file="00000008.jpg" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /> Гц
Значение
6.0
2.5
5.0
<img file="00000013.jpg" he="5" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />
23
0.785
2.0
2.0
16.03
-0.197
5
2.5
6.0
0.94
На фиг. 2 показана эволюция ширины спектра генерируемого импульса (измеренной на полувысоте) при прохождении через кольцевой резонатор в режиме установившейся генерации. В элементе системы 1 - усилителе происходит уширение спектра, связанное с ростом длительности и частотной модуляции. На выходе его огибающая близка к параболической. При выбранных расчетных параметрах полезной модели полуширина спектра возрастает в усилителе более чем в 10 раз (участок 8). Усиленный импульс, проходя через насыщающийся поглотитель 2 (участок 9) стабилизируется, там же происходит подавление шумов. На широком оптическом фильтре 3 небольшая часть мощности теряется и полуширина спектра незначительно уменьшается (точка 10), однако огибающая импульса сглаживается. На дифракционных решетках 4 (точка 11) осуществляется инверсия частотной модуляции, полуширина спектра импульса здесь остается неизменной. Далее на элементе 5 - волоконном спектральном компрессоре с нормальной ДГС наблюдается спектральное сжатие импульса за счет компенсации отрицательного чирпа (участок 12). На выходе из компрессора, т.е. после прохождения участка 14 ширина спектра уменьшается практически в 10 раз. Последний элемент системы - узкий оптический фильтр 6 (точка 13) служит для сглаживания огибающей и подавления небольших «крыльев». Затем основная мощность (90%) выводится из системы через специальный ответвитель 7 - выход генератора, а часть (10%) возвращается в волоконный усилитель.
На фиг. 3 представлены изменения спектра (а) и огибающей импульса (б) при совершении прохода импульса по кольцевому резонатору. После насыщающегося поглотителя 2 импульс обладает широким спектр (кривая 14), а его огибающая близка к параболической (кривая 17). Далее после прохождения широкого оптического фильтра 3 и дифракционных решеток 4 спектр сужается (кривая 15) и теряется часть мощности (кривая 18). Как можно видеть, после спектральной компрессии на элементе системы 6 спектр значительно сжимается (кривая 16), а огибающая и энергия импульса при этом изменяются незначительно (кривая 10). В итоге, компрессия спектра позволяет пройти необходимый элемент симиляритонного лазера - узкий фильтр 6 без существенных потерь энергии. Таким образом, достигнута основная цель - разработана модель высокоэффективного генератора симиляритонных импульсов.