ВОЛОКОННАЯ СИСТЕМА КОМПРЕССИИ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА С ЗАПИСАННОЙ РЕШЕТКОЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области оптики, в частности к генерации субпикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов.
Важнейшим направлением физики лазеров с момента их создания является разработка генераторов ультракоротких импульсов (УКИ), обеспечивающих высокую пиковую мощность. Один из наиболее распространенных подходов, используемых для получения УКИ, заключается в генерации импульсов с широким спектром и линейной частотной модуляцией и их последующее сжатие на внешнем компрессоре при компенсации частотной модуляции. Механизм сжатия ЧМИ был рассмотрен на примере неоднородных световодов с W-профилем распределения показателя преломления, который характеризуется уменьшающейся по модулю аномальной дисперсией [Патент РФ 2012/ RU 118767U1]. Интерес к таким световодам определяется возможностями формирования в них импульсов с пиковыми мощностями свыше 1 МВт, что делает их пригодными для решения целого ряда важнейших практических задач: обработка и модификация материалов, технологии легирования, оптическая связь, медицина, ядерные и ускорительные технологии и др.
Также известно устройство для компрессии ультракоротких лазерных импульсов (Patent US 2009/0190893 A1, Katagiri et al.), состоящее из диспергирующего элемента, позволяющему обеспечить необходимую начальную частотную модуляцию оптического волокна с отрицательной дисперсией групповых скоростей и малой керровской нелинейностью, в котором реализуется уменьшение длительности импульса при одновременном увеличение его пиковой мощности вследствие компенсации положительной частотной модуляции из-за действия аномальной дисперсии.
Предложенные изобретения имеют следующие существенные недостатки:
1. Для достижения максимального сжатия импульса необходим точный подбор длины волокна-компенсатора, что в общем случае является сложной нелинейной задачей. Как следствие этого - максимальное сжатие импульса осуществить невозможно.
2. Начальная частотная модуляция чирп не может быть выше некоторого критического значения, зависящего от мощности исходного импульса, что опять же не позволяет добиться максимальной компрессии при погашении чирпа.
-27
2
-26
2
3. Использование световодов с W-профилем показателя преломления приводит к тому, что аномальная ДГС может изменяться в строго ограниченном диапазоне и соответствует интервалу значений от -10 с/м до -5·10 с/м. Данное обстоятельство не позволяет реализовать существенную компрессию ЧМИ и, как следствие, значительно повысить их пиковую мощность.
Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель полезной модели: разработать оптическую систему для временного сжатия лазерных импульсов до длительностей менее 1 пикосекунды и пиковых мощностей порядка 1 МВт. Сжатие осуществляется за счет применения волокна с записанными решетками показателя преломления с изменяющимся по длине периодом. В световоде реализуется уменьшающийся по длине профиль дисперсии групповых скоростей, который обеспечивает существование и устойчивость сжимаемого частотно-модулированного импульса. Разброс значений ДГС за счет записанных в световоде внутриволоконных решеток может составлять более 6 порядков.
Технический результат: разработка модели волоконной лазерной системы, позволяющей обеспечить сжатие лазерных импульсов до субпикосекундной и фемтосекундной длительности на выходе, т. е. реализовать компрессию оптического импульса более чем на два порядка по сравнению с первоначальной длительностью с одновременным повышением его пиковой мощности до величин порядка 1 МВт.
Технический результат достигается за счет применения волокна с записанной внутриволоконной решеткой показателя преломления с изменяющимся периодом и, как следствие, c уменьшающимся по длине профилем дисперсии групповых скоростей, обеспечивающим существование и устойчивость сжимаемого частотно-модулированного импульса. При распространении импульса в волокне такого типа происходит дополнительная его частотная модуляция, приводящая к большей компрессии в выходном диспергирующем элементе.
Разработана оптическая система для компрессии ультракоротких лазерных импульсов (фиг. 1), включающая элементы: источник лазерных импульсов (мастер-осциллятор), обеспечивающий генерацию спектрально ограниченных импульсов, усилитель с нормальной дисперсией, обеспечивающий формирование импульсов с энергией свыше 1 нДж с линейной скоростью частотной модуляции, последовательно соединенное с ним оптическое периодическое волокно с аномальной дисперсией групповых скоростей и керровской нелинейностью для нелинейного самосжатия и модуляции импульса и подключенный к выходу оптического волокна дополнительный пассивный элемент, также отвечающий за нелинейное самосжатие. При этом за счет сформированных решеток с плавно возрастающим периодом значение модуля аномальной дисперсии групповых скоростей в оптическом волокне экспоненциально спадает по длине волокна, что позволяет добиться устойчивого режима компрессии частотно-модулированных ультракоротких лазерных импульсов до длительностей менее 1 пс и пиковых мощностей свыше 1 МВт. Таким образом, механизм компрессии ЧМИ в предлагаемой полезной модели осуществляется за счет последовательного размещения решеток показателя преломления с различающимися периодами и, как следствие, уменьшающимся значением дисперсии групповых скоростей (ДГС). Технология изготовления и особенности записи брегговских решеток непосредственно в градиентных многомодовых световодах подробно рассматривались в работе [Y. Liu et al. // Opt. Express 2005. V. 13. P. 8513].
1 - источник излучения спектрально ограниченных импульсов (мастер-осциллятор),
2 - усилитель (активное волокно, легированное редкоземельными элементами),
3 - оптическое волокно с записанной решеткой показателя преломления с плавно увеличивающимся периодом,
4 - пассивное волокно с аномальной дисперсией групповых скоростей.
Основным элементом предлагаемой полезной модели является волноводная структура с периодической решеткой показателя преломления приведена. В соответствующих сегментах световода величина показателя преломления задается соотношением:
0
где n- средний показатель преломления световода в отсутствии решетки, m - глубина модуляции решетки показателя преломления и Λ - ее период. Вклад в эффективную ДГС решетки показателя преломления значительно превышает вклад материальной дисперсии световодов. Использование подобных решеток в качестве диспергирующих элементов неизбежно приводит к сильному влиянию дисперсионных эффектов высших порядков:
где  групповая скорость волны, параметр k -определяет связь между прямой и отраженной волной. Величина δ определяет отстройку несущей частоты от частоты брегговского синхронизма :
2
При этом именно знак отстройки δ определяет знак βсоответствующей решетки. ДГС принимает отрицательные значения в спектральной области, где несущая длина волны меньше брегговской. Увеличивающийся период записанных решеток Λ(z) позволяет увеличить отстройку δ и, как следствие, приводит к постепенному уменьшению абсолютной величины аномальной ДГС. Наиболее эффективно компрессия может быть реализована, если профиль дисперсии второго порядка.
20
0
Распространение и последующая компрессия ЧМИ рассматривалась для одиночных частотно-модулированных импульсов с пикосекундной длительностью. Режим сильного временного сжатия может быть реализован в световодах с экспоненциальным профилем распределения ДГС второго порядка . В этом случае длительность импульса с хорошей степенью точности определятся соотношением , где β и α начальные значения дисперсии групповых скоростей и скорости частотной модуляции соответственно.
Пусть частотно-модулированный спектрально ограниченный импульс от источника излучения 1 (мастер осциллятора) вводится в усиливающий элемент 2 - активное волокно, легированное редкоземельными элементами, где происходит нарастание пиковой мощности импульса практически на два порядка с сохранением линейной скорости частотной модуляции. Усиленный импульс поступает в оптическое волокно с записанной решеткой показателя преломления 3, где за счет плавного уменьшения ДГС более чем на два порядка реализуется эффективная компенсация имеющейся частотной модуляции и начальная стадия компрессии импульса. Увеличивающийся период записанных решеток Λ(z) позволяет увеличить отстройку δ и, как следствие, приводит к постепенному уменьшению абсолютной величины аномальной ДГС. На 4 элементе - пассивном волокне с аномальным постоянным значением ДГС происходит вторая завершающая стадия компрессии, характеризующая сильным временным сжатием и как следствие быстрым нарастанием пиковой мощности импульса.
0
0
0
0
Компрессия ЧМИ рассматривалась для следующих параметров излучения от источника 1 и материала оптического волокна 3 с решетками показателя преломления. Пусть в оптическое волокно с невозмущенным ПП n=1.5 вводится импульс с центральной длиной волны λ=1550 нм, начальными длительностью τ=10 пс, скоростью частотной модуляции  и пиковой мощностью  Брегговская длина волны на входе в световод, величина отстройки и коэффициент модуляции решетки приняты равными  Выбранным значениям параметров соответствует величина коэффициента связи  и начальные параметры дисперсии решетки второго и третьего порядка  и  Величина коэффициента кубической нелинейности  является стандартной для классических одномодовых волокон на длине волны λ=1550 для значения для площади моды  Дисперсионные параметры второго  и третьего порядка  определяются материалом световода без записанных внутриволоконных решеток.
Ввиду того, что в рассматриваемом периодическом волноводе величина ДГС принимает значения, на порядки превышающие значения ДГС в классических волноводных структурах, импульс в такой среде будет стремительно сжиматься при одновременном спектральном уширении с сохранением линейности чирпа, начиная с длин z<0,1m. Использование большего числа решеток с различным периодом меньшего размера обеспечивает большую пиковую мощность и более сглаженный пьедестал формирующихся импульсов. Ниже представим результаты по компрессии пикосекундных лазерных импульсов, которые достигаются при использовании предлагаемой полезной модели. В качестве основного элемента предлагаемой схемы использовались три оптических волокна с записанными в них 50, 100 и 200 брегговскими решетками показателя преломления с плавно увеличивающимся периодом. Протяженность одной решетки при этом составила 1 см. Для всех треш решеток показателя преломления модуль аномальной дисперсии групповых скоростей изменялся в пределах от  Указанному изменению дисперсии будет соответствовать плавное увеличение переода решеток от 516 до 534 нм.
На фиг. 2 изображены временные профили ЧМИ для периодических волноводов, включающих в себя 50, 100 и 200 решеток соответственно. Формирование сжатого по времени импульса хорошего качества реализуется на длинах световода от 1.0 м (кривые 2-3). Причем оптимальному для выбранной длины профилю огибающей соответствует случай наибольшей компенсации частотной модуляции (чирпа) за счет аномальной ДГС, т.е. каждой выбранной длине световода соответствует определенное начальное значение чирпа, при выборе которого обеспечивается оптимальный профиль импульса. Еще одним из преимуществ протяженных периодических световодов является то, что они характеризуются меньшими начальными значениями ДГС. Это позволяет подавать на вход таких структур импульсы с малыми значениями начальной пиковой мощностью.
Таким образом, предложена волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления, в которой реализуется эффективная компрессия пикосекундных частотно-модулированных импульсов. Показано, что при использовании соответствующей модели волоконной системы возможно реализовать генерацию качественных субпикосекундных ЧМИ с пиковыми мощностями до одного мегаватта, если использовать последовательности решеток с общей длиной более одного метра.