Режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с различными конфигурациями резонаторов

Иваненко, Алексей Владимирович

Режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с различными конфигурациями резонаторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Иваненко, Алексей Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с различными конфигурациями резонаторов»

Автореферат диссертации на тему "Режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с различными конфигурациями резонаторов"

005012117

Иваненко Алексей Владимирович

Режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с различными конфигурациями

резонаторов.

Специальность 01.04.21 "Лазерная физика"

1 2 МАР 2012

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2011

005012117

Работа выполнена в Новосибирском государственном университете и Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель: Научный консультант:

доктор физико-математических наук Кобцев Сергей Михайлович

доктор физико-математических наук профессор

Дмитриев Александр Капитонович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Клементьев Василий Михайлович

доктор технических наук Айрапетян Валерик Сергеевич

Ведущая организация:

Институт оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН

Защита состоится «16» марта 2012 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 003.024.01 при Учреждении Российской академии наук Институте лазерной физики СО РАН, 630090, Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 13, корп. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института лазерной физики СО РАН.

Автореферат разослан «(/> 2012г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

Никулин Николай Георгиевич

Актуальность темы.

В настоящее время лазеры являются важными инструментами для фундаментальной науки и практических приложений. Революционный прогресс во многих областях науки обусловлен развитием мощных лазерных систем, генерирующих ультракороткие импульсы и генераторов с высокой энергией импульса. Среди генераторов ультракоротких импульсов все большее распространение в различных областях науки и техники получают волоконные лазеры с синхронизацией мод. Помимо прочих достоинств (высокие эффективность генерации и качество выходного пучка, отсутствие необходимости юстировки резонатора в цельноволоконных конфигурациях) волоконные импульсные лазеры предоставляют большую свободу в выборе и оптимизации частотно-временных характеристик импульсного излучения. Конфигурированием резонатора волоконного лазера можно получать генерацию импульсов различной формы (гауссовой, параболической, солитонной), длительности, а также варьировать знак и величину фазовой модуляции ("чирпа") импульсов. Одной из наиболее интересных с научной точки зрения, а также важных для практических приложений отличительной особенностью волоконных задающих генераторов с пассивной синхронизацией мод за счёт эффекта нелинейного вращения поляризации является возможность генерации лазера в различных режимах с разными параметрами импульсов. Особый интерес представляют сверхдлинные (с длиной резонатора сотни метров и километры) импульсные волоконные лазеры, поскольку в таких лазерах возможна генерация высокоэнергетичных импульсов (с энергией импульса сотни и более нДж). Разработка сверхдлинных волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод для генерации высокоэнергетичных световых импульсов с очень низкой (суб-мегагерцовой) частотой следования является новым и стремительно развивающимся направлением лазерной физики. Однако получение стабильного режима синхронизации мод в таких лазерах является весьма нетривиальной задачей.

Исследование режимов синхронизации в сверхдлинных волоконных лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией представляет огромный научный и практический интерес. Моделирование и экспериментальное изучение особенностей синхронизации мод и динамики импульсов в таких лазерах, а также разработка и исследование новых схем являются важными задачами на пути создания импульсных лазерных источников излучения с уникальными характеристиками, способных стать основой более совершенных технологий фотоники в индустрии, биомедицине, метрологии, телекоммуникациях.

Цель работы - исследование особенностей синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с различными конфигурациями резонаторов и реализацию лабораторных образцов новых ффективных лазерных систем с высокой энергией ультракоротких импульсов.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: 1. Исследование режимов синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с уммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт елинейной эволюции поляризации. А

N ^

2. Исследование дисперсионного сжатия в оптических волокнах импульсов сверхдлинных волоконных лазеров с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с самосинхронизацией мод.

3. Разработка и исследование новых схем сверхдлинных с волоконных лазеров с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с самосинхронизацией мод.

Научная новизна работы.

1. Полученный стабильный режим самостартующей синхронизации мод с ультранизкой частотой повторения и высокой энергией импульса без распада волны обеспечивается использованием специального волокна с относительно большой нормальной внутрирезонаторной дисперсией и волокна со смещенной нулевой дисперсией в комбинации с уменьшением поляризационной нестабильности в длинном линейном плече резонатора.

2. Впервые зарегистрированные автокорреляционные функции интенсивности излучения сверхдлинного лазера с синхронизацией мод служат прямым экспериментальным подтверждением квазистохастической природы генерации в длинных и сверхдлинных лазерах. В сверхдлинных эрбиевых лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации характерными режимами одноимпульсной генерации являются режим шумоподобной импульсной генерации и режим импульсной генерации с высокочастотными флуктуациями интенсивности излучения.

3. Впервые экспериментально показано, что коэффициент дисперсионного сжатия импульсов сверхдлинных волоконных лазерах с суммарной нормальной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации достигает величины, равной 2, что согласуется с результатами численного моделирования.

4. Впервые получена стабильная самостартующая генерация суб-наносекундных относительно высокоэнергетичных импульсов с низкой частотой следования и низким уровнем спонтанной эмиссии в лазерной системе на базе сверхдлинного волоконного лазера за счёт оптимизации параметров излучения в двух линейных плечах «гамма»-схемы резонатора задающего генератора (уменьшение поляризационной нестабильности в длинном плече резонатора с подавлением спонтанной эмиссии, ограничением длительности импульсов, предотвращением их разрушения и перескоков длины волны генерации, конкуренции поляризационных мод в коротком плече резонатора).

Практическая ценность.

1. Создан импульсный сверхдлинный цельноволоконный кольцевой эрбиевый лазер с рекордной длиной резонатора 25 км для лазеров с синхронизацией мод.

2. Предложены линейно-кольцевые схемы резонаторов для оптимизации параметров излучения сверхдлинных волоконных лазеров:

- реализован сверхдлинный цельноволоконный лазер с линейно-кольцевой схемой резонатора, обеспечивающей самостартующий режим синхронизации мод и однонаправленный режим генерации в активной среде.

- разработан сверхдлинный цельноволоконный эрбиевый лазер с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с самостартующей синхронизацией мод,

имеющий оригинальную «гамму» конфигурацию резонатора, предоставляющую расширенные возможности для оптимизации и стабилизации импульсных режимов генерации.

3. На основе сверхдлинного волоконного лазера с «гамма»-схемой резонатора реализована цельноволоконная лазерная система, позволяющая генерировать высокоэнергетичные суб-наносекундные импульсы с низким уровнем интенсивности спонтанной эмиссии.

Все разработанные волоконные лазеры и лазерные системы внедрены в производство на малом научно-техническом предприятии при НГУ ЗАО "Техноскан".

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах, в том числе один патент RU 2426226 Cl, 10 работ опубликованы в научных периодических изданиях, удовлетворяющим требованиям ВАК, из которых 6 работ - статьи в российских и зарубежных реферируемых журналах.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на российских и международных конференциях: IX Международная конференция Актуальные Проблемы Электронного Приборостроения, АПЭП 2008, (Новосибирск, 2008); III Всероссийский Семинар по Волоконным Лазерам (Уфа, 2009); IX Всероссийский Семинар по Волоконным Лазерам (Ульяновск, 2010); XVI Всероссийская Научная Конференция среди Студентов Физиков и Молодых Учёных; XVIВНКСФ 2010 (Волгоград, 2010); XIV International Conference on Laser Optics, ICLO, (Санкт-Петербург, 2010); 36th European Conference and Exhibition on Optical Communication, ECOC 2010, (Турин, 2010); Фотоника и Оптические Технологии (Новосибирск, 2011).

Результаты работы были отмечены медалью Российской Академии Наук за лучшую работу конкурса РАН 2010 г. для молодых учёных России.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

1. В волоконных эрбиевых задающих генераторах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации увеличение длины резонатора до нескольких километров позволяет получать импульсы с энергией до нескольких мкДж.

2. В сверхдлинных эрбиевых волоконных лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации возможна реализация одноимпульсных режимов генерации с высокочастотными флуктуациями интенсивности излучения.

3. Внутрирезонаторная спектральная и поляризационная фильтрация излучения с помощью волоконных решёток позволяет ограничивать длительность импульсов на уровне наносекунды, а также фиксировать длину волны генерации и подавлять усиленное спонтанное излучение в сверхдлинных, волоконных лазерах с суммарной нормальной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации.

4. Эффективность дисперсионного сжатия в оптических волокнах импульсов сверхдлинных волоконных лазеров с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации ограничена из-за сложной временной структуры импульса.

Объём и структура диссертации.

Диссертация изложена на 103 страницах, включая список цитируемой литературы (122 наименований), список из 18 публикаций автора по теме диссертации, содержит 42 рисунка.

Во введении даётся общая характеристика работы; в первой главе приведён обзор литературных данных; главы 2-4 содержат описание проведённых исследований, их обсуждение и анализ; в заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа является результатом работы автора в Отделе лазерной физики и инновационных технологий научно-исследовательской части Новосибирского государственного национального исследовательского университета, а также работы автора на кафедре лазерных систем Новосибирского государственного технического университета. Работа представляет собой обобщение научных исследований автора, выполненных совместно с сотрудниками НГУ, НГТУ, а также специалистами ИЛФ СО РАН и Астон Университета (Великобритания). Публикации данной работы выполнены в соавторстве, так как проводимые работы имели коллективный характер. Все полученные в диссертации результаты получены автором лично, либо при непосредственном участии.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены её цели и защищаемые положения, излагается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, даны сведения об их апробации и публикации.

В главе 1 проведён обзор литературных данных по теме диссертации и представлено состояние проблемы исследований. В главе рассматриваются методы получения ультракоротких импульсов, методы получения высокоэнергетичных импульсов и приводится обзор по сверхдлинным волоконным лазерам.

В главе 2 даны теоретические основы синхронизации мод, а также приведены результаты исследовании и моделирований режимов синхронизации мод в коротких (до 100 метров) волоконных лазерах.

Одной из наиболее интересных с научной точки зрения, а также важных для практических приложений отличительной особенностью волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод за счёт эффекта нелинейного вращения поляризации является возможность лазерной генерации в различных режимах, число которых относительно велико [3].

Для численного моделирования режимов генерации в волоконных лазерах использовалась система связанных НУШ [10], описывающая эволюцию поляризованного излучения:

ЗА, Sz ЗА

У dz

■ 'У

■■ ,Y

Ax + 3 ГУ I

A +~\AX ' 3

Ax +~AyAx 3

! 1 2 * Ay + — Ax Ay

— Ах—Рг 2 2

d2Ar

a i

— Ay—Pi 2 2

(2)

где А - х-компонента огибающая напряженности электрического поля, Л, - у-компонента огибающая напряженности электрического поля, р2 - дисперсионный коэффициент на частоте генерируемого лазерного излучения, у - нелинейный коэффициент для оптического волокна, а - коэффициент линейных потерь в волокне, г - пространственная координата (вдоль волокна).

Для подтверждения результатов численного моделирования в эксперименте использовался волоконный итгербиевый кольцевой лазер с полностью нормальной внутрирезонаторной дисперсией, схема которого представлена на рис. 1.

РС2

output

Рис. 1. Экспериментальная схема лазера: РС - контроллер поляризации, РШ - поляризационно не зависимый изолятор, ГРВЯ-волоконный поляризационный ответвитель, Ю-лазерный диод накачки.

Как показывают результаты проведенных нами экспериментов и численного моделирования, в лазерах с нормальной внутрирезонаторной дисперсией может быть реализовано относительно большое количество режимов генерации, переключение между которыми может быть выполнено во время работы лазера путём изменения настроек внутрирезонаторных поляризационных элементов. Импульсы, генерируемые в различных режимах, отличаются энергией и длительностью, формой огибающей и шириной спектра. Можно выделить три характерных режима одноимпульсной генерации:

1. режим генерации импульсов колоколообразной формы;

2. режим шумоподобной генерации;

3. режим генерации с высокочастотными флуктуациями интенсивности излучения.

Первый режим генерации характеризуется высокой стабильностью генерируемых

импульсов (так, расчетные флуктуации параметров от импульса к импульсу имеют порядок величины КГ6...!О"4). Отличительной особенностью данного режима генерации является колоколообразная форма АКФ и спектр с резкими краями (см. Рис. 2, левый ряд графиков).

Принципиально иным типом генерации с точки зрения стабильности импульсов является одноимпульсная шумоподобная генерация, также реализуемая в лазерах с нормальной внутрирезонаторной дисперсией при определённых настройках поляризационных элементов и уровнях мощности накачки. При работе лазера в данном режиме генерируются не идентичные колоколообразные импульсы, но волновые пакеты со сложной временной структурой, включающей набор суб-импульсов. Интегральные характеристики волнового пакета в целом (его энергия и длительность) флуктуируют

вокруг средних значений, изменяясь после полного обхода резонатора на величину порядка нескольких процентов. В то же время внутренняя структура волновых пакетов претерпевает гораздо более существенные изменения, демонстрируя шумоподобное поведение. Гладкая форма спектра и пьедестала АКФ волновых пакетов являются следствием усреднения по последовательности генерируемых импульсов, в то время как спектр и АКФ одиночного импульса (волнового пакета) является сильно изрезанным.

Стабильная Генерация импульсов с ВЧ Шумоподобная

одноимлульсиая флуктуациями генерация

генерация интенсивности излучения

Я ®

О.

I <

. О.

Ї 5

Ь 01

<и і в а <

Ь "

1 І4 1 С*

Длина волны, мкм

•ю -в Є $ Ю -10-8

Временная задержка, пс

10 £0 »9 40 «4в в И « 1С -Ї5

Временная задержка, пс

Рис. 2. Экспериментально измеренные (красные) и смоделированные (синий) оптические спектры и АКФ для Зх характерных режимов генерации: стабильной одиоимпульсиои генерации (левая колонка), режима генерации импульсов с высокочастотными флуктуациями интенсивности излучения (центрачьная колонка) и ип'моподобнои генерации (правая колонка).

Спектры генерации, наблюдаемые в режимах с высокочастотными флуктуациями интенсивности излучения, имеют резкие края и плавный спад спектральной мощности у основания. АКФ таких импульсов имеет характерную двойную структуру, однако высота пика намного меньше высоты пьедестала. Таким образом, и спектр, и АКФ такого режима имеют переходный вид между спектром / АКФ стабильного режима и шумоподобным режимом (см. Рис. 2, средний столбец).

Глава 3 посвящена исследованиям синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах. В главе рассматриваются сверхдлинные волоконные лазеры с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт эффекта нелинейной эволюции поляризации.

Увеличение длины резонатора лазера с синхронизацией мод излучения является эффективным методом увеличения энергии импульсов внутри задающего осциллятора. Реализация этого метода наиболее проста в волоконных лазерах, длина резонатора которых может быть легко увеличена без ухудшения стабильности генерации.

Автором диссертации совместно с коллегами из НГУ, ИЛФ СО РАН и университета Астон (Великобритания) были разработаны и исследованы сверхдлинные волоконные эрбиевые лазеры с синхронизацией мод с различными конфигурациями резонаторов.

Проведённые исследования режимов генерации в сверхдлинных волоконных эрбиевых лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации выявили, что, в отличие от коротких волоконных лазеров, генерация одиночных колоколообразных импульсов в сверхдлинных лазерах является крайне сложно осуществимой. В сверхдлинных эрбиевых лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации характерными режимами одноимпульсой генерации являются режим импульсной генерации с высокочастотными флуктуациями интенсивности излучения и режим шумоподобной импульсной генерации.

Различие режимов, как и для коротких волоконных лазеров, заключается в форме оптического спектра и параметрах генерации. Первый режим - режим генерации импульсов с высокочастотными флуктуациями интенсивности излучения - реализуется при малых мощностях накачки, близких к пороговой мощности генерации и характеризуется короткой длительностью импульсов менее 2 не и малой средней мощностью (до 5 мВт). Оптический спектр характеризуется резкими краями и плавным падом спектральной мощности у основания (Рис. 3).

Второй режим - режим шумоподобной импульсной генерации - реализуется при мощностях накачки значительно превышающих порог генерации и характеризуется ольшей длительностью по сравнению с вторым режимом (в 2-4 раза). Средняя мощность импульсов на выходе лазера в первом режиме в несколько раз превышает ощность второго режима. Оптический спектр характеризуется колоколообразной > ормой спектра.

Длина волны, нм

Рис. 3. Оптический спектр сверхдлинного лазера в режиме генерации импульсов с высокочастотными флуктуациями интенсивности игпучения.

Рис. 4. Оптический спектр сверхдлинного лазера в режиме шумоподобной импульсной генерации.

Впервые зарегистрированные автокорреляционные функции интенсивности излучения (Рис. 5) сверхдлинного лазера с синхронизацией мод служат прямым экспериментальным подтверждением сделанного ранее на основании результатов численного моделирования вывода о квазистохастической природе генерации в длинных и сверхдлинных лазерах.

4 ф

I-

о л*

о х ш

X ®

з;

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

.........і і "Огибающая АКФ лазера /', -АКФ лазера

Время задержки, пс

Рис.5. Центральный пик автокорреляционной функции интенсивности лазерных импульсов сверхдлинного волоконного лазера с суммарной внутрирезонаторной дисперсий и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации.

Исследования дисперсионного сжатия в оптических волокнах импульсов сверхдлинных лазеров показали, что эффективность сжатия таких импульсов является ограниченной из-за сложной временной структуры импульса, коэффициент линейного дисперсионного сжатия таких импульсов не превышает 2. На рисунке 6 приведён пример сжатия импульса в стандартном одномодовом волокне различной длины.

Рис.6. Осциллограмма импульса сверхдлинного волоконного лазера с суммарной внутрирезонаторной дисперсий и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации: красный граф - импульс с выхода лазера; зелёный граф - импульс после прохождения одномодового волокна длиной 4 км; синий граф - импульс после прохождения одномодового волокна длиной 25.4 к».

Глава 4 посвящена исследованию режимов синхронизации мод в линейно-кольцевых схемах резонаторов волоконных сверхдлинных лазеров с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации.

Представлен разработанный и исследованный сверхдлинный эрбиевый волоконный лазер с линейно-кольцевой схемой резонатора, который обеспечивает энергию выходного импульса свыше 1 мкДж с килогерцовой частотой повторения на длине волны 1,55 мкм (Рис. 7).

Использование специального волокна с относительно большой нормальной внутрирезонаторной дисперсией и волокна со смещенной нулевой дисперсией в комбинации с компенсацией поляризационной нестабильности в длинном линейном

плече резонатора обеспечило стабильный режим самостартующей синхронизации мод с высокой энергией импульса и ультра-низкой частотой повторения без распада импульса.

Рис.7. Схема сверхдлинного эрбиевого цельноволоконного лазера. КП1, КП2 - контроллеры поляризации, Ц- циркулятор, М - мультиплексор, ЛД - лазерный диод накачки, Ц - циркулятор, ФЗ-фарадеееское зеркало, ВПД - волоконный поляризационный делитель, Ег - активное эрбиевое волокно, ЛИ)/-" - катушка волокна со смещённой нулевой дисперсией длинной 2.3. км, ОСТ" - катушка волокна длинной 1.25 км компенсирующего дисперсию стандартного одномодового волокна.

Приводятся результаты исследования сверхдлинного волоконного лазера с оригинальной «гамма»-схемой резонатора. Главной целью являлась разработка и исследование сверхдлинного волоконного эрбиевого лазера с синхронизацией мод, имеющего механизмы подавления различных деструктивных эффектов в динамике генерации и способного обеспечить стабильную генерацию высокоэнергетических импульсов длительностью менее 1 не с высокой пиковой мощностью и низким уровнем интенсивности спонтанного излучения. Лазерные системы с такими характеристиками необходимы для решения целого прикладных и фундаментальных задач, в частности для генерации высокоэнергетических суперконтинуумов и реализации с их помощью передовых методов абсорбционной спектроскопии.

Разработанный лазер имеет цельноволоконный резонатор линейно-кольцевого типа, схема которого изображена на рисунке 8. Одним из ключевых отличий данной схемы от обычной линейно-кольцевой, является наличие в резонаторе дополнительного линейного плеча выполняющего функции, связанные с поддержкой и стабилизацией режима синхронизации мод, а также спектральным профилированием импульсов.

Выход

Рис. 8. Схема резонатора лазера. ЛД - лазерный диод накачки; М - мультиплексор; Ег -активное волокно, легированное ионами эрбия; Ц- циркулятор; КП1, КП2 - контроллеры поляризации; О - ответеитель 50/50; DCF - катушка волокна с нормальной дисперсией 1.25 км; ВТР - волоконная «тильда»-решётка; Ф'З - фарадеевское зеркало; Из - изолятор; ВБР - волоконная брегговская решётка.

На основе разработанного сверхдлинного эрбиевого цельноволоконного лазера с нормальной дисперсией, имеющего оригинальную «гамму»-схему резонатора, была создана цельноволоконная импульсная лазерная система, которая обеспечивает генерацию суб-наиосекундных импульсов (Рис. 9, 10) с энергией более 400 нДж и частотой следования 81.6 кГц. Новые схемные решения, такие как компенсация поляризационной нестабильности в сверхдлинном плече резонатора, применение внутрирезонагорного полосового фильтра на основе широкополосной волоконной брэгговской решётки в сочетании с наклонной решёткой показателя преломления, обеспечили относительно низкий уровень интенсивности спонтанного излучения и высокую стабильность параметров выходного излучения.

1п

о 0,8

о 0,6

Ч 0,4 >

ё 0,2

-0,2

- Импульс

70.9 Мс\\ лазера

А \ -Импульс

\ \ усилителя

\ V .

NqXj^

-2 -1,5

-1 -0,5 0 0,5 Время, не

1 1,5 2

Рис. 9. Осциллограммы лазерных импульсов до усиления (синий) и после (красный).

1,520 1.530 1,540 1,550 1,560 Длина волны, мкм

Рис. 10. Оптический спектр после усиления.

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты и выводы диссертационной работы.

В ходе проделанной работы были получены следующие результаты:

1. Получена генерация импульсов с энергией 1.7 мкДж с ультра-низкой частотой повторения 35,1 кГц непосредственно из цельноволоконного эрбиевого лазера с синхронизацией мод с линейно-кольцевым резонатором при использовании для удлинения резонатора специального волокна с нормальной внутрирезонаторной дисперсией и волокна со смещенной нулевой дисперсией на длине волны 1.55 мкм.

2. Продемонстрирована синхронизация мод в волоконном лазере с рекордной длиной резонатора 25 км. За счет значительного увеличения длины резонатора реализована ультра-низкая для лазеров с синхронизацией мод частота повторения импульсов 8.1кГц.

3. Экспериментально исследованы режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией.

Впервые полученные автокорреляционные функции интенсивности излучения сверхдлинного лазера с синхронизацией мод служит прямым экспериментальным подтверждением сделанного ранее на основании результатов численного моделирования вывода о квазистохастической природе генерации длинных и сверхдлинных лазеров. В сверхдлинных эрбиевых лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации характерными режимами одноимпульсной генерации являются режим шумоподобной импульсной генерации и режим импульсной генерации с высокочастотными флуктуациями интенсивности излучения.

4. Исследована временная компрессия в стандартном одномодовом волокне импульсов сверхдлинных волоконных лазеров с суммарной нормальной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации. Максимальный коэффициент сжатия импульсов достигает величины, равной 2, что согласуется с результатами численного моделирования.

5. Разработан и исследован сверхдлинный цельноволоконный эрбиевый лазер с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с самостартующей синхронизацией мод, имеющий оригинальную «гамму» конфигурацию резонатора, предоставляющую расширенные возможности для оптимизации и стабилизации импульсных режимов генерации. В лазере успешно реализованы механизмы подавления деструктивных эффектов в динамике генерации, а именно механизмы уменьшения поляризационной нестабильности, уменьшения интенсивности спонтанного излучения, ограничения длительности импульсов и предотвращения их распада, предотвращения перескоков длины волны генерации. Это позволило создать на основе разработанного лазера стабильную цельноволоконную лазерную систему, способную генерировать субнаносекундные высокоэнергетические импульсы с относительно низким уровнем шумов спонтанной эмиссии. Данная лазерная система обеспечивает генерацию суб-наносекундных импульсов с энергией более 400 нДж с уровнем спонтанной эмиссии не превышающим 5% от энергии импульса и частотой следования 81.6 кГц.

В целом в диссертационной работе проведены исследования режимов синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с суммарной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации в резонаторах с различными конфигурациями. Разработаны и реализованы новые решения для резонаторов волоконных лазеров, позволяющие оптимизировать

параметры излучения. Полученные результаты обеспечивают физическую основу для дальнейшего научного и технического развития волоконных лазеров с синхронизацией мод.

Основные публикации по теме диссертации:

1) Денисов В.И., Иваненко А.В., Корель И.И., Нюшков Б.Н., Пивцов B.C., Оптоволоконные фемтосекундные лазеры для метрологии и телекоммуникаций // Фотон-Экспресс.- 2007.- №6 (62).- С. 83.

2) Иваненко А.В. Оптоволоконный фемтосекундный лазер // Дни науки НГТУ, Новосибирск, Россия, 2007 г., С. 29.

3) Денисов В.И., Дмитриев А.К., Иваненко А.В., Нюшков Б.Н., Пивцов B.C. Фемтосекундный волоконный лазер для линейных измерений // Материалы IX международной конференции АПЭП - 2008, Том 5, Новосибирск, Россия, 2008, С. 21-24.

4) Денисов В.И., Иваненко А.В., Нюшков Б.Н., Пивцов B.C. Фемтосекундный волоконный лазер с комбинированной линейно-кольцевой схемой резонатора // Квант. Электроника,- 2008,- Т.38,- №9,- С.801-802.

5) Kobtsev S.M., Kukarin S.V., Fedotov Y.S., Ivanenko A.V. High-energy femtosecond 1086/543-nm fiber system for nano- and micromachining in transparent materials and on solid surfaces // Laser Physics.- 2011.- V.21.- №2,- P.308-311.

6) Nyushkov B.N., Denisov V.I., Kobtsev S.M., Pivtsov V.S., Kolyada N.A., Ivanenko A.V., Turitsyn S.K. Generation of 1.7-uJ pulses at 1.55um by a self-modelocked all-fiber laser with a kilometers-long linear-ring cavity //Laser Physics Letters.- 2010,- V.7.- №9.- P.66I-665.

7) Ivanenko A.V., Kobtsev S.M., Kukarin S.V., Kurkov A.S. Femtosecond Er laser system based on side-coupled fibers // Laser Physics.- 2010,- V.20.- №2,- P.341-343.

8) Ivanenko A.V., Kobtsev S.M., Kukarin S.V. Femtosecond ring all-fiber Yb laser with combined wavelength-division multiplexer-isolator // Laser Physics.- 2010,- V.20,- №2,-P.344-346.

9) Иваненко А.В, Турицин C.K., Дубов М.В., Кобцев С.М., Дмитриев А.К. Волоконный эрбиевый лазер с синхронизацией мод в резонаторе с длиной 25 км // ВНКСФ-16, Волгоград, Россия, 22-29 апреля, 2010, Сб. тез., 2010, С. 368-369.

10) Иваненко А.В., Кобцев С.М., Кукарин С.В., Курков А.С. Фемтосекундная эрбиевая волоконная система на основе сдвоенных световодов // III Российский семинар по волоконным лазерам, Уфа, Россия, апрель 2009, Сб. тез., 2009, С. 61- 62.

11) Иваненко А.В., Кобцев С.М., Кукарин С.В. Цельноволоконный фемтосекундный кольцевой иттербиевый лазер с мультиплексором-изолятором // II Российский семинар по волоконным лазерам, Уфа, Россия, апрель 2009, Сб. тез., 2009, С. 66- 67.

12) Иваненко А.В, Турицин С.К., Дубов М.В., Кобцев С.М., Дмитриев А.К. Волоконный эрбиевый лазер с синхронизацией мод излучения в резонаторе с оптической длиной 37 км // IV Российский семинар по волоконным лазерам, Ульяновск, Россия, апрель 2010, Сб. тез., 2010, С. 32-33.

13) Нюшков Б.Н., Денисов В.И., Кобцев С.М., Пивцов B.C., Коляда Н.А., Иваненко А.В., Турицин С.К. Сверхдлинный цельноволоконный эрбиевый лазер с синхронизацией мод и энергией импульсов 1.7 мкДж // IV Российский семинар по волоконным лазерам, Ульяновск, Россия, апрель 2010, Сб. тез., 2010, С. 34-35.

14) Иваненко А.В., Кобцев С.М., Кукарин С.В., Курков А.С. Высокоэнергетичная фемтосекундная 1086/543-нм волоконная система для создания микро- и на ноструктур в прозрачных средах и на поверхностях твёрдых материалов // IV Российский семинар по волоконным лазерам, Ульяновск, Россия, апрель 2010, Сб. тез., 2010, С. 52-5367.

15) А. Иваненко, С. Кобцев, С. Турицин, Б. Нюшков, В. Денисов, В. Пивцов, «Гамма»-схема резонатора для высокоэнергетичных волоконных лазеров с синхронизацией мод // Фотоника и оптические технологии, Новосибирск, Россия, февраль, 2011, Сб. тез., 2011, С. 30.

16) Turitsyn S., Dubov М., Kobtsev S., Ivanenko A. Mode-Locking in 25-km Fibre Laser //36th European Conference on Optical Communication (ECOC), Sep 19-23, 2010, Torino, Italy, Tu.5.D.l.

17) Nyushkov В., Denisov V., Kobtsev S., Pivtsov V., Kolyada N., Ivanenko A., Turitsyn S. High-pulse-energy mode-locked 3.5-km-long Er fibre laser // 14th International Conference "Laser Optics 2010", June 28 - July 02, 2010, St.Petersburg, Russia, FrRl-38.

18) Дмитриев A.K., Гуров М.Г., Кобцев C.M., Иваненко А.В. Квантовый стандарт частоты. Патент RU 2426226 С1,11.01.2010.

Подписано к печати 1 февраля 2012г. Тираж 100 экз. Заказ № 012. Отпечатано "Документ-Сервис", 630090, Новосибирск, Институтская 4/1, тел. 335-66-00

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Иваненко, Алексей Владимирович, Новосибирск

61 12-1/679

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный

технический университет»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»

«Режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с различными конфигурациями резонаторов»

На правах рукописи

Иваненко Алексей Владимирович

Специальность 01.04.21 "Лазерная физика'

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск

2012

Оглавление

Введение...................................................................... 3

1. Обзор литературных данных................................ 14

2. Синхронизация мод............................................. 24

Режимы синхронизации мод в коротких волоконных лазерах с нормальной суммарной внутрирезонаторной дисперсией......................................................... 28

3. Сверхдлинные волоконные лазеры с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации................................................................. 44

3.1. Режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах............................................... 46

3.2. Сжатие импульсов сверхдлинных волоконных лазеров...................................................................... 58

3.3. Линейно-кольцевая схема резонатора в сверхдлинных волоконных лазерах............................ 62

Заключение.................................................................. 86

Список используемой литературы.................................... 92

Введение

Получение ультракоротких импульсов (УКИ) пико- и фемтосекундной длительности позволило перейти к изучению динамической картины быстропротекающих процессов. К таким процессам относятся релаксация колебательного и электронного возбуждений, внутреннее движение молекул, элементарные стадии химической реакций, релаксация фотовозбуждённых электронов в полупроводниках, первичные стадии преобразования света в фотосинтезирующих и зрительных пигментах и др. [1,2].

Ультракороткие импульсы лазерного излучения являются незаменимым прецизионным инструментом многих передовых исследовательских и технологических методов в индустрии наносистем и материалов. В качестве наиболее ярких примеров можно привести успешное применение таких импульсов для изучения плазмон-экситонного взаимодействия в гибридных наноструктурах (с помощью воздействия высокоэнергетичных ультракоротких импульсов на поверхность таких структур) [3, 4], для исследования химических процессов на атомно-молекулярном уровне (реализация новых оптических методов исследования молекул, позволяющих наблюдать за перемещениями электронов при изменении молекулой её формы), для характеризации квантовых наноструктур (квантовых точек и др.) [5], для технологий лазерного напыления наноструктурированных пленок и модификации поверхности конструкционных материалов, для записи микро- и наноструктур (волноводов и др.) в прозрачных средах [6-8], для оптических пинцетов [9-11], способных захватывать и перемещать объекты в наноразмерном диапазоне длин, для создания оптических

наноантенн, детектирующих флуоресценцию отдельных молекул, для активации металлических наночастиц, используемых для доставки лекарств или анти-опухолевых устройств внутри организма, для создания металлических наноигл, применяемых в сканирующей зондовой микроскопии.

Среди генераторов ультракоротких импульсов все большее распространение в различных областях науки и техники получают волоконные лазеры с синхронизацией мод.

Принципиальное преимущество волоконных световодов как лазерной среды по сравнению с объемными активными средами заключается в низких оптических потерях, большой длине взаимодействия и малом диаметре свето ведущей сердцевины (обычно 4-20 мкм), что обеспечивает высокую эффективность накачки излучением лазерных диодов. Полный КПД (относительно потребляемой электрической энергии) волоконных лазеров благодаря диодной накачке, а так же распределенному по длине волокна поглощению накачки и распределенному усилению, может превышать 30 %. Большое отношение площади поверхности волоконного световода (диаметром ~ 100 мкм) к его объему радикально решает проблему теплоотвода, позволяя создавать волоконные лазеры с выходной мощностью ~ 1 кВт и воздушным охлаждением [12 - 14]. Исключительно важным для многих применений является высокое качество выходного пучка волоконных лазеров.

Цельно-волоконные лазеры, в принципе, лишены большинства недостатков присущих лазерам на объемных элементах (разъюстируемость, подверженность вибро и акустическим воздействиям и т.д.). Габаритные размеры цельно-волоконных лазеров могут быть меньше размеров классических лазеров на объемных элементах и в значительной степени определяются габаритами используемой диодной накачки. Отсутствие у таких лазеров резонатора в классическом его представлении (в виде набора

объемных дискретных оптических элементов) практически снимает проблему устойчивости режима синхронизации мод по отношению к расстройкам резонатора и сильным акустическим возмущениям - что очень важно для транспортируемых и автономных устройств. Очевидным достоинством таких лазеров является также волоконный выход, упрощающий их использование в исследованиях связанных с волоконными световодами [13, 14]. Кроме того, волоконные импульсные лазеры предоставляют большую свободу в выборе и оптимизации частотно-временных характеристик импульсного излучения. Надлежащим конфигурированием волоконного лазера (выбором схемы резонатора, выбором активных и пассивных световодов с нужными дисперсионными и нелинейными характеристиками, выбором их длин и последовательности соединения и т.д.), можно получать генерацию импульсов различной формы (солитонной, гауссовой, параболической), длительности, а также варьировать знак и величину частотного чирпа импульсов.

Особый научный и практический интерес представляют сверхдлинные (с длиной резонатора сотни метров и километры) импульсные волоконные лазеры, поскольку в таких лазерах возможна генерация высокоэнергетичных импульсов (с энергией импульса сотни и более нДж). Разработка сверхдлинных волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод для генерации высокоэнергетичных световых импульсов с очень низкой (суб-мегагерцовой) частотой следования является новым и стремительно развивающимся направлением лазерной физики. Однако получение стабильного режима синхронизации мод в таких лазерах является весьма нетривиальной задачей. Возникновение нелинейных эффектов из-за высокой энергии импульсов и большой протяжённости оптических волокон приводит к изменениям в режиме синхронизации мод, распаду импульса или переходу в многоимпульсный режим генерации. Генерация высокоэнергетичных импульсов в таких лазерах достигается за счет нетривиального равновесия

между эффектами нелинейности, дисперсий и диссипативными механизмами. В случае резонатора с аномальной дисперсией в качестве баланса между нелинейными эффектами и дисперсией может быть использован солитонный механизм формирования импульсов. Однако при этом возникает ограничение по интенсивности и при высоких энергиях генерируется многоимпульсный режим [1]. При синхронизации мод в суммарной нормальной дисперсии могут генерироваться диссипативные солитоны, которые не имеют такого ограничения по максимальной энергии [2].

В связи с этим исследование режимов синхронизации в сверхдлинных волоконных лазерах представляет огромный научный и практический интерес. Моделирование и экспериментальное изучение особенностей синхронизации мод и динамики импульсов в таких лазерах, а также разработка и исследование новых схем являются важными задачами на пути создания высокоэнергетичных лазерных источников излучения с уникальными характеристиками, способных стать основой более совершенных технологий фотоники в индустрии, биомедицине, метрологии, телекоммуникациях.

Цель работы - исследование особенностей синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с различными конфигурациями резонаторов и реализацию лабораторных образцов новых эффективных лазерных систем с высокой энергией ультракоротких импульсов.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: 1. Исследование режимов синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации.

Научная новизна работы.

Практическая ценность.

- разработан сверхдлинный цельноволоконный эрбиевый лазер с суммарной нормальной внутрирезонаторной дисперсией и с самостартующей синхронизацией мод, имеющий оригинальную «гамму» конфигурацию резонатора, предоставляющую расширенные возможности для оптимизации и стабилизации импульсных режимов генерации.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах, в том числе один патент RU 2426226 С1, 10 работ опубликованы в научных периодических изданиях, удовлетворяющим требованиям ВАК, из которых 6 работ - статьи в российских и зарубежных реферируемых журналах.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на российских и международных конференциях: IX Международная конференция Актуальные Проблемы Электронного Приборостроения, АПЭП 2008, (Новосибирск, 2008); III Всероссийский Семинар по Волоконным Лазерам (Уфа, 2009); IX Всероссийский Семинар по Волоконным Лазерам (Ульяновск, 2010); XVI Всероссийская Научная Конференция среди Студентов Физиков и Молодых Учёных, XVI ВНКСФ 2010 (Волгоград, 2010); XIV International Conference on Laser Optics, ICLO, (Санкт-Петербург, 2010); 36th European Conference and Exhibition on Optical Communication, ECOC 2010, (Турин, 2010); Фотоника и Оптические Технологии (Новосибирск, 2011).

Результаты работы были отмечены медалью Российской Академии Наук для молодых ученых РАН, других учреждений, организаций России за лучшие научные работы в области разработки/создания приборов, методик, технологий и новой научно-технической продукции научного и прикладного значения: работа "Волоконные лазеры ультракоротких импульсов для научных и высокотехнологичных применений".

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

3. Внутрирезонаторная спектральная и поляризационная фильтрация излучения с помощью волоконных решёток позволяет ограничивать длительность импульсов на уровне наносекунды, а также фиксировать длину волны генерации и подавлять усиленное спонтанное излучение в сверхдлинных волоконных лазерах с суммарной нормальной дисперсией и с синхронизацией мод за счёт нелинейной эволюции поляризации.

Объём и структура диссертации.

Диссертация изложена на 103 страницах, включая список цитируемой литературы (122 наименований), список из 18 публикаций автора по теме диссертации, содержит 42 рисунок.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа является результатом работы автора в Отделе лазерной физики и инновационных технологий научно-исследовательской части Новосибирского национального исследовательского государственного университета, а также работы автора на кафедре лазерных систем Новосибирского государственного технического университета. Работа представляет собой обобщение научных исследований автора, выполненных совместно с сотрудниками НГУ, НГТУ, а также специалистами ИЛФ СО РАН и Астон Университета (Великобритания). Публикации данной работы выполнены в соавторстве, так как проводимые работы имели коллективный характер. Все полученные в диссертации результаты получены автором лично, либо при непосредственном участии.

Автор выражает благодарность:

Кобцеву Сергею Михайловичу, Дмитриеву Александру Капитоновичу за ценные указания, руководство и помощь в проведении работ и написании диссертации.

Нюшкову Борису Николаевичу за ценные советы и помощь в проведении работ.

Смирнову Сергею Валерьевичу, Кукарину Сергею Владимировичу, Федотову Юрию Сергеевич за плодотворное сотрудничество и дискуссии по проводимым работам.

Заставенко Юрию Николаевичу за о�