Генерация субпикосекундных импульсов в различных схемах тулиевых волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Чернышева Мария Анатольевна

ГЕНЕРАЦИЯ СУБПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ В РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ ТУЛИЕВЫХ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД

01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

9 ЯНВ 2214

Москва-2013 005544900

005544900

Работа выполнена в Федеральном бюджетном научном учреждении Российской академии наук Научном центре волоконной оптики РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Крюков Петр Георгиевич

Официальные оппоненты:

ЧЕКАЛИН Сергей Васильевич, д.ф.-м.н., профессор, Институт спектроскопии РАН, зав. лабораторией спектроскопии ультрабыстрых процессов

ГУБИН Михаил Александрович, д.ф.-м.н., Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, зав. лабораторией стандартов частоты

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)

Защита состоится «27» января 2014 года в 1700 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.02 при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН по адресу: 119991, Москва, ул. Вавилова, д.38, корп.1, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Автореферат разослан «. » декабря 2013 года

Ученый секретарь

диссертационного совета (Макаров Вячеслав Петрович

8 (499) 503-83-94

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время волоконные лазеры все чаще заменяют объемные твердотельные лазеры во многих областях науки и техники. Они обладают очевидными преимуществами, например, высокой эффективностью накачки, хорошим качеством лазерного излучения (возможностью генерации одномодовых, почти гауссовых пучков), а также широким диапазоном мощностей генерируемого непрерывного излучения и длительностей импульсов при работе в импульсном режиме. Благодаря простоте лазерной системы, отсутствию механических юсти-ровок и существенных проблем с теплоотводом даже при высоких генерируемых мощностях, конструкция волоконных лазеров более компактна и надежна по сравнению с твердотельными лазерами. Рабочий спектральный диапазон ныне существующих волоконных лазеров на активных центрах редкоземельных элементов простирается от ~ 900 до 2300 нм.

Генерация излучения на длине волны в районе 2 мкм свойственна лазерам на основе световодов, легированных ионами тулия. В последнее время смещение длины волны генерации в средний ИК диапазон привлекает все большее внимание исследователей, что объясняется широкой областью его применения. Спектральный диапазон генерации тулиевых волоконных лазеров (18502100 нм) покрывает полосы поглощения воды, что позволяет применять данный тип лазеров в медицине, в частности в офтальмологии и «бескровной» хирургии. Кроме того в полосу генерации входят окна прозрачности атмосферы, что дает возможность использования лазеров для атмосферной оптической связи, лазерной локации, спектроскопии газов. Тулиевые волоконные лазеры могут служить компактным, эффективным и доступным источником накачки твердотельных лазеров, генерирующих в диапазоне длин волн 3-5 мкм.

Ширина полосы усиления активной среды является одним из определяющих факторов генерации ультракоротких импульсов. Длительность образующихся в лазерном резонаторе флуктуационных импульсов обратно пропорциональна ширине спектра усиления активной среды. Таким образом, применение тулиевых световодов с широким спектральным диапазоном позволяет генерировать импульсы суб-пикосекундной и даже фемтосекундной длительности. Работа лазера в импульсном режиме генерации позволяет увеличить энергию и достичь высокую пиковую мощность излучения. Для генерации коротких импульсов применяются режимы модуляции добротности резонатора или пассивной

синхронизации мод. Задача разработки лазеров ультракоротких импульсов является актуальной в течение более двух десятков лет.

Цели работы

1) Реализация и изучение схем стабильной непрерывной генерации импульсов в волоконном лазере на основе изотропного алюмосиликатного световода легированного ионами тулия в режиме пассивной синхронизации мод с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM и одно-стенных углеродных нанотрубок (ОУН), а также гибридного насыщающегося поглотителя, основанного на их совместном действии с нелинейным усиливающим кольцевым зеркалом или нелинейной эволюции поляризации (НЭП).

2) Исследование режимов лазерной генерации и оптимизация выходных параметров: минимизация длительности и увеличение энергии - путем управления суммарной дисперсией внутри резонатора с помощью добавления пассивного высоконелинейного германо-силикатного световода с нормальной дисперсией.

3) Разработка одно- и двухкаскадной волоконной схемы усилителя импульсного лазерного излучения на основе активного световода с многоэлементной первой оболочкой, легированного совместно ионами тулия и иттербия, с многомодовой диодной накачкой на длине волны 980 нм и исследование возможности компрессии импульсов за счет эффекта многосолитонного сжатия в пассивном одномодовом световоде.

Научная новизна

Созданы и исследованы схемы тулиевых волоконных лазеров, построенных на основе нелинейного усиливающего кольцевого зеркала с пассивной синхронизацией мод с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM или ОУН. В обеих конфигурациях получена генерация импульсов минимальной на настоящий момент длительности 230 и 450 фс, соответственно.

В лазере с кольцевой конфигурацией резонатора и гибридной синхронизацией мод с помощью совместного действия НЭП и ОУН получена средняя выходная мощность 300 мВт и энергия импульсов ~ 4 нДж непосредственно из задающего лазера.

Продемонстрирована генерация спектрально-ограниченных инверсно-модифицированных солитонов в лазере с кольцевой геометрией резонатора и пассивной синхронизацией мод с помощью ОУН при создании высокой нормальной внутрирезонаторной дисперсии. 4

Получено усиление суб-пикосекундных импульсов в тулий-итгербиевом двухкаскадном волоконном усилителе до уровня пиковой мощности порядка сотен киловатт с последующей компрессией усиленных импульсов с помощью эффекта многосолитонного сжатия в пассивном одномодовом световоде до длительностей порядка 200 фс.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение гибридной пассивной синхронизации мод с помощью совместного действия быстрого (основанного на нелинейном оптическом эффекте Керра) и сравнительно с ним медленного насыщающегося поглотителя (SESAM или ОУН) позволяет генерировать стабильные высококачественные импульсы суб 500-фс длительности. Управление внутрирезонаторной и внешней дисперсией в таких лазерах позволяет сократить длительность импульсов до = 200 фс.

2. В лазере кольцевой конфигурации с пассивной синхронизацией мод с помощью ОУН при наличии участка с высокой нелинейностью и создании высокой нормальной внутрирезонаторной дисперсии генерируются спектрально ограниченные инверсно-модифицированные солитоны.

3. Эффективный волоконный усилитель и компрессор лазерных импульсов ультракороткой длительности в диапазоне длин волн 1900 - 2100 нм реализован на основе тулий-иттербиевого световода с многоэлементной первой оболочкой с выходной пиковой мощностью в сотни киловатт и одномодовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка.

Практическая ценность

1. Доступность и простота разработанных лазерных схем делают их привлекательными для применения в лазерной технике. Исследование тулиевых лазеров расширяет диапазон длин волн генерации волоконных лазеров в сторону среднего ИК-диапазона и открывает возможность их применения в оптической атмосферной связи и волоконно-оптической связи применением световодов с воздушной сердцевиной, а также в медицине.

2. Продемонстрированные особенности генерации тулиевого волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод и управлением дисперсией могут быть полезны при разработке лазерных источников излучения с варьируемыми длительностью и частотой следования импульсов, а также перестраиваемой длиной волны излучения.

3. Разработанные эффективные схемы одномодовых усилителей импульсов на основе тулий-иттербиевых световодов с многоэлементной первой оболочкой, которые обеспечивают выходную пиковую мощность киловаттного уровня, представляет собой готовый инструмент для использования в таких областях науки и техники, как исследование нелинейных явлений и обработка материалов, в том числе прозрачных полупроводниках.

Апробация работы

Основные результаты были доложены на следующих всероссийских и международных конференциях: Всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, Россия, 2011, 2013 гг.); Fiber Lasers and Applications (FILAS) in Lasers, Sources and Related Photonics Devices Congress (Сан Диего, США, 2012); International Conference on Laser Optics (LO) (С.Петербург, Россия, 2012); 20th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'12) (Тун, Швейцария, 2012); 38th и 39lh European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC) (Амстердам, Нидерланды, 2012 и Лондон, Великобритания, 2013)

Публикации

Основные результаты опубликованы в 7 статьях в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией: «Квантовая электроника», Laser Physics, Optics Express, IEEE Photonics Technologies Letters и 7 сборниках трудов всероссийских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Личный вклад диссертанта

Все результаты, представленные на защиту, были получены лично диссертантом или при ее непосредственном участии. Автор участвовала в постановке, проведении экспериментов и обработке результатов. Часть работы выполнялась в ходе прохождения стажировки в университете Aston (г. Бирмингем, Великобритания) в рамках европейской программы обмена FP7-PEOPLE-2010-IRSES.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем текста составляет 133 страницы и содержит 70 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обзору опубликованной литературы касательно волоконных лазеров на основе световодов легированных ионами тулия с пассивной синхронизацией мод. Во введении описан непрерывный режим генерации импульсов в лазерах с пассивной синхронизацией мод, рассмотрены основные насыщающиеся поглотители, а также подробно рассмотрен метод пассивной синхронизацией мод с помощью нелинейного оптического эффекта Керра на примере НЭП. Описаны различные режимы генерации лазеров ультракоротких импульсов в зависимости от величины и знака внутрирезонаторной дисперсии. Обоснована актуальность работы, ее практическая ценность, изложена структура диссертации, сформулированы ее цели и выносимые на защиту положения.

Первая глава посвящена разработке и изучению тулиевых волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM. В главе описаны особенности генерации лазеров на основе световодов легированных ионами тулия, приводятся основные свойства полупроводниковых насыщающихся поглотителей SESAM и нелинейного волоконного усиливающего кольцевого зеркала, действие которого основано на нелинейном оптическом эффекте Керра.

В главе представлен лазер с линейной конфигурацией резонатора (Рис.1). Резонатор лазера образовывают волоконное зеркало Саньяка (ВЗС) с коэффициентом отражения 58% и полупроводниковый насыщающийся поглотитель SESAM. Активной средой является участок тулиевого световода, поглощение которого на длине волны накачки 1.55 мкм составило 60 дБ/м, длиной -70 см. Компенсация аномальной дисперсии групповых скоростей (ДГС), вносимой ту-

sssam*.

Рис. 1. Схема тулиевого волоконного лазера с линейной геометрией резонатора

лиевым активным световодом, а также пассивным световодом ЗМР-28, дисперсия которых примерно равна /?2= -75 пс2/км, А=1960 нм, осуществлялась введением в резонатор одномодового германо-силикатного световода (ОеОгЛЗЮг-световод) с низкими потерями (менее 20 дБ/км при ¿=1960 нм) и нормальной ДГС Дг=+280 пс2/км на длине волны генерации. ОеСЬ/ЗЮг-световод содержит 75мол% оксида германия в сердцевине диаметром менее 2 мкм (Ап~ 0.11, с1е// ~ 3.4 мкм), при этом длина волны отсечки второй моды в нем составляла 970 нм. Коэффициент нелинейности данного световода составил -15 Вт"1 км"1.

При варьировании длины ОеОг/БЮг световода, так что внутрирезонатор-ная ДГС изменялась от +0.15 пс2 до -0.11 пс2, исследовалась эволюция генерируемых импульсов. Было обнаружено, что длительность импульсов меняется от 760 фс до 6 пс. При этом более короткие импульсы обладают существенным пьедесталом, содержащим большую часть энергии, из-за относительно медленного времени релаксации полупроводникового насыщающегося поглотителя.

Для устранения данного недостатка была предложена а-конфигурация резонатора, формируемая путем замены линейного волоконного зеркала Саньяка нелинейным усиливающим кольцевым зеркалом (Рис.2). Нелинейное кольцевое зеркало было образовано волоконным ответвителем с коэффициентом деления 80/20. При этом из-за отличного от 50% коэффициента деления в ответвителе и активной среды, размещенной в кольце несимметрично, создавалась большая разница мощностей импульсов, распространяющихся по и против часовой стрелки в кольцевом зеркале. Совместно с управлением дисперсией и контролем состояния поляризации в кольце это создает разность фаз противоположно распространяющихся импульсов. В зависимости от этой разности фаз определяется

Рис. 2 Схема тулиевого волоконного лазера с нелинейным усиливающим кольцевым

зеркалом

S 0.25

I

~ Линейна*

1 -- о -конфигураци*

t i j ! _______Jj S i

....... ■^'"T^M'^T-T'^T-n-r^

Задержка (пс)

Рис. 3. Автокорреляционные функции интенсивности импульсов генерируемых в лазере с пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM

характер их интерференции на выходе из нелинейного зеркала, увеличивая или уменьшая его отражение. Таким образом, нелинейное усиливающее кольцевое зеркало действует как дополнительный быстрый насыщающийся поглотитель.

Использование в схеме двух насыщающихся поглотителей приводит к формированию более качественного и короткого импульса (рис. 3). Подобрав необходимую величину внутрирезонаторной и внешней дисперсии, длительность им-

пульса удалось сократить в 3 раза до 230 фс по сравнению с линейной и при этом существенно подавить дисперсионные волны, образующие пьедестал импульса.

Кроме того, в лазере с а-конфигурацией резонатора удалось достичь среднюю выходную мощность более 100 мВт при мощности накачки 1 Вт. При длительности импульсов -300 фс это соответствует энергии импульса в 2 нДж и пиковой мощности - 3.7 кВт.

Вторая глава посвящена изучению свойств одностенных нанотрубок в качестве насыщающегося поглотителя в схемах волоконных лазеров. В первом

°ecVSio, св"оеодг

Рис. 4. Схема тулиевого волоконного лазера с ОУН и нелинейным усиливающим кольцевым

зеркалом

параграфе представлены основные свойства ОУН и способы их производства и изготовления полимерных пленок для использования их в лазерных схемах.

Второй параграф посвящен тулиевому волоконному лазеру с о-конфигурацией резонатора. Для объективного сравнения режимов генерации при использовании различных насыщающихся поглотителей данный лазер был построен с помощью тех же компонентов, что и схемы, описанные в Главе 1. В качестве второго зеркала резонатора использовалось ВЗС с коэффициентом отражения 89%. Контроль внутрирезонаторной и внешней дисперсии производился с помощью ранее описанного СеОг/БЮг-световода.

Была исследована эволюция генерируемых импульсов при варьировании внутрирезонаторной дисперсии от -0.044 до -0.131 пс2. Минимальная полученная длительность составила 450 фс при значении внутрирезонаторной дисперсии -0.093 пс2. Соответствующий спектр имел ширину на уровне -3 дБ, равную 15.8 нм.

а) б)

Рис. 5. а) Автокорреляционные функции интенсивности и б) спектры импульсов при различной ДГСрезонатора лазера с пассивной синхронизацией мод с помощью ОУН и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала

При этом удалось увеличить среднюю мощность выходного излучения до 18 мВт, что соответствует энергии импульса 0.4 нДж и пиковой мощности 625 Вт, при мощности накачки 560 мВт. Дальнейшее увеличение мощности оказалось невозможным из-за разрушения полимерных пленок, основным компонентом которых служила карбоксиметилцеллюлоза.

В третьем параграфе описывается тулиевый волоконный лазер с кольцевой геометрией резонатора и пассивной синхронизацией мод с помощью ОУН и нелинейного вращения поляризации. Для обеспечения однонаправленного режима генерации в резонатор устанавливался поляризационно-чувствительный изолятор,

источник накачки

который с двумя контроллерами поляризации, образовывал модуль нелинейной эволюции поляризации. Схема лазера представлена на Рис. 6.

В ходе экспериментов данная схема лазера сравнивалась с подобной конфигурацией лазера, где поля-ризационно-чувствительный изолятор был заменен на изотропный. Таким образом, во второй схеме режим пассивной синхронизации мод устанавливался и поддерживался только за счет действия ОУН.

При невысоких мощностях накачки до 400 мВт длительность импульсов в обеих схемах составила около 590 фс при ширине спектра 6.6 нм и выходной мощности 27 мВт. Идентичность параметров свидетельствует о том, что при невысоких мощностях накачки ОУН играют доминирующую роль в формировании импульса.

При достижении уровня мощности излучения накачки выше 1.2 Вт оба лазера при точной настройке контроллеров поляризации работают в режиме одноим-пульсной генерации. При этом в случае гибридной синхронизации мод было обнаружено два состояния поляризации, при которых лазер стабильно генерировал импульсы с длительностями 1.28 пс и 600 фс. Ширины спектров составляли соответственно 3.1 и 8.7 нм. (Рис.7) Средняя выходная мощность излучения составила около 300 мВт. Это соответствует энергии импульсов 4 нДж и пиковой мощности

Рис. 6. Схема тулиевого волоконного лазера с кольцевой геометрией резонатора

Задержка (пс)

а)

1,900 1,950

Длина волны (нм)

б)

Рис. 7. а) Автокорреляционные функ11ии интенсивности и б) спектры импульсов колъцево лазера с пассивной синхронизаг^ей мод с помощью ОУН и НЭП или только ОУН при мощности накачки Рритр = 1-2 Вт

3.19 кВт для импульсов длительностью 1.28 пс. В случае генерации импульсов более короткой длительности, 600 фс, спектр содержит интенсивные боковые максимумы Келли. Доля энергии, содержащаяся непосредственно в импульсе была оценена в 68%, таким образом энергия импульсов составила 3 нДж, а пиковая мощность - 4.88 кВт.

При той же мощности накачки 1.2 Вт в лазере с синхронизацией мод с помощью ОУН удалось получить выходную мощность около 150 мВт. Однако лазер работает менее стабильно и имеет тенденцию переходить в режим модуляции добротности; наблюдается квантование импульсов. Кроме того наблюдается интенсивный пик на длине волны 1905 нм, свидетельствующий о наличии мощного непрерывного излучения.

Таким образом, при увеличении мощности НЭП играет более существенную роль в формировании импульсов и поддержании их стабильности, препятствует квантованию солитонов при высоких энергиях, а также срыву режима пассивной синхронизации мод в режим модуляции добротности.

Эффективность лазерной генерации в случае гибридной синхронизации мод достигла 27%. Измерения стабильности генерации при высоких выходных мощностях не показали существенного ухудшения параметров с течением времени, полимерная пленка с диспергированными ОУН на основе поливинилового спирта не деградировала.

Пятый параграф посвящен исследованию эволюции выходных параметров импульсов, генерируемых в кольцевом лазере с пассивной синхронизацией мод с помощью ОУН, при варьировании внутрирезонаторной дисперсии. Лазер был построен в аналогичной кольцевой конфигурации с изотропным изолятором. Управление дисперсией осуществлялось за счет добавления участка ранее описанного Ge02/Si02-CBCTOBOfla в лазерный резонатор после модуля с ОУН.

За счет изменения длины участка СеОг/ЗЮг-световода от 1.5 м до нуля дисперсия внутри резонатора варьировалась от +0.212 до -0.194 пс2. При существенной аномальной дисперсии лазер генерирует солитонные импульсы длительностью от 570 фс до 1 пс. При приближении к нулю дисперсии генерируются длинные Гауссовы импульсы длительностью до 6 пс, при этом спектры импульсов в логарифмической шкале имеют резкие фронты. Ширина спектра колеблется около 1.5 нм.

Наиболее интересный режим генерации осуществляется при большой нормальной дисперсии от +0.086 до +0.212 пс2. Длительность импульсов составляет 1-1.9 пс. Ширина спектра варьируется от 1.66 до 3 нм.

Задержка (пс)

а)

1,875 1,380 1,885 1,890 Длина волны Снм) б)

Рис. 8. а) Автокорреляционные функции интенсивности и б) спектры импульсов кольцевого лазера с гибридной пассивной синхронизацией при внутрирезонаторной дисперсии Рг = +0.212 пс2

Проанализировав автокорреляционные функции и спектры генерируемых импульсов, оказалось, что наиболее точно выходные характеристики импульсов описываются функциями:

1

7(0 = -

( Ъ<-

4 Г0

, ' \

(1)

+ е

1- \

л/2

совЬ — со - V /—

16 /у/2

(2)

Для импульсов, описываемых данными функциями, коэффициент спектральной ограниченности равен 0.22. Таким образом, генерируемые импульсы являются практически спектрально-ограниченными.

Третья глава диссертации посвящена разработке и исследованию волоконных усилителей импульсных лазеров, а также компрессии усиленных импульсов в пассивном световоде благодаря эффекту многосолитонного сжатия.

В первом параграфе представлен тулий-иттербиевый световод с многоэлементной первой оболочкой (МПО-световода), рассмотрены его свойства. Применение совместно легированных световодов позволяет использовать более доступные и мощные диоды накачки, работающие на длине волны 980 нм, по

сравнению с диодами, предназначенными для накачки непосредственно тулиевых светводов.

Второй параграф посвящен разработке однокаскадного лазерного усили-

Рис. 9. Схема однокаскадного тулий-иттербиевого усилителя

теля на основе тулий-иттербиевого МПО-световода. Продемонстрировано, что одновременно с усилением происходит сжатие импульсов. Рассмотрена эволюция параметров усиленных импульсов при варьировании дисперсии внутри резонатора задающего лазера.

В результате при внутрирезонаторной дисперсии равной -0.06 пс , что соответствует длине ОеОг/ЗЮг-световода 0.6 м, длительность усиленных импульсов составляет хр;=200 фс, что соответствует сжатию исходного импульса в ~10 раз (Рис. 10). При этом по оценке, в пике содержится ~20% всей энергии импульса Наибольшая часть энергии импульса находится в несжатой его части, которой соответствует некоторая модуляция вблизи максимума спектра излучения. При

Задержка (пс) Длина волны (нм)

а) б)

Рис. 10. а) Автокорреляционные функции интенсивности и б) спектры импульсов на выходе из однокаскадного усилителя и 10-м участка световода ЭМР-28 при различной мощности накачки усилителя

мощности накачки 9 Вт средняя мощность усиленного излучения в данном случае составляет 0.62 Вт, что соответствует энергии импульса -1 нДж. Что дает коэффициент усиления -18 дБ.

С помощью более мощного излучения накачки (17 Вт) удалось достичь максимальной средней мощности усиленного излучения —2 Вт при ширине автокорреляционной функции интенсивности импульсов Ата=5.7 пс в случае ОеОз/БЮг-световода внутри резонатора задающего лазера длиной 1 м. Это соответствует максимальной энергии импульсов 3 нДж.

Третий параграф посвящен созданию и исследованию двухкаскадной схемы усилителя (Рис. 11). Кроме того исследовалась возможность сжатия усиленных импульсов. Так как усиленные импульсы обладают сравнительно малой длительностью, но высокой энергией, то при распространении вдоль пассивного световода с аномальной дисперсией ведут себя подобно солитонам высоких порядков. Порядок при этом определяется отношением пиковой мощности импульса к пиковой мощности фундаментального солитона той же длительности и распространяющегося вдоль среды с теми же параметрами, что и усиленный импульс.

"черный

Рис. 11. Схема двухкаскадного тулий-иттербиевого волоконного усилителя

Был исследован процесс сжатия импульсов при изменении длины пассивного световода от 150 до 5 м на выходе второго каскада усилителя и при варьировании мощности его накачки от 9 до 26 Вт. Мощности накачки первого каскада при этом оставалась неизменной, обеспечивая усиление импульсов до мощности 100 мВт. При длине участка пассивного световода SMF-28 10 м, мощности накачки второго каскада усилительной схемы 26 Вт удалось получить наиболее оптимальные параметры, так как достигается наибольший коэффициент сжатия импульса, в 18 раз (Рис. 12). Замечено, что с увеличением мощности накачки уменьшается не только длительность импульс, но и интенсивность его пьедестала. При увеличе-

нии мощности накачки от 9 до 26 Вт длительность импульса уменьшается от 430 до 260 фс.

Средняя мощность усиленного излучения с ростом мощности накачки достигала 1.4 Вт. Соответственно пиковая мощность и энергия в импульсе при этом составляли 23.7 кВт и 7.4нДж. При дальнейшем увеличении мощности выходной спектр несимметрично расширялся, а центральная длина волны смещалась в длинноволновую область.

Задержка (пс)

а)

2,000 2,050

Длина волны (нм)

б)

2,100

Рис. 12. а) Автокорреляционные функции интенсивности и 6) спектры импульсов на выходе из двухкаскадного усилителя и 10-м участка световода $МР-28 при различной мощности накачки усилителя

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Реализованы и исследованы схемы лазеров в линейной, кольцевой и а-конфигурациях резонатора с использованием полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM, одностенных углеродных нанотрубок, нелинейного кольцевого усиливающего зеркала и нелинейной эволюции поляризации, а также их комбинации. Проведено сравнительное исследование действия различных насыщающихся поглотителей. Получены следующие результаты:

• Достигнута непрерывная генерация импульсов длительностью 230 фс, что является минимально полученной на настоящий момент, в тулиевом волоконном лазере на основе нелинейного кольцевого усиливающего зеркала с пассивной синхронизации мод с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM. Максимальная средняя выходная мощность составила 106 мВт, что при частоте повторения импульсов 52 МГц соответствует энергии импульсов 2 нДж и пиковой мощности - 4 кВт. Дифференциальная эффективность лазерной генерации составила -10%.

• Получена генерация импульсов длительностью 450 фс в лазере на основе нелинейного кольцевого усиливающего зеркала с пассивной синхронизацией мод с помощью ОУН, которая является минимальной для лазеров с ОУН. Частота следования импульсов составила 46.5 МГц при средней выходной мощности 18 мВт.

• Реализован кольцевой лазер с максимальной средней выходной мощностью 300 мВт в одноимпульсном режиме гибридной пассивной синхронизации мод на основе ОУН и нелинейной эволюции поляризации. При длительности импульсов 1.3 пс и 600 фс и частоте повторения импульсов 77 МГц энергия составила 3 и 4 нДж, а пиковая мощность - 3 и 5 кВт, соответственно. Это соответствует дифференциальной эффективности лазерной генерации 27.8%.

2. Впервые продемонстрирована генерация нового типа спектрально-ограниченных импульсов, названных инверсно-модифицированными солитона-ми, длительность которых прямо пропорциональна их энергии, а параметр спектральной ограниченности Ду-Дтр близок к величине 0.22, при создании высокой нормальной дисперсии и нелинейности внутри резонатора.

3. Реализована эффективная схема усиления ультракоротких импульсов в диапазоне длин волн —2 мкм на основе тулий-иттербиевого МПО-световода. Достигнута максимальная выходная средняя мощность импульсов до 1.4 Вт, что соответствует коэффициенту усиления до 22 дБ. При использовании участка световода SMF-28 длиной 50 м получена компрессия импульсов с коэффициентом

17

сжатия 19.2 до длительности 320 фс за счет эффекта многосолитонного сжатия. Пиковая мощность импульсов составила 23.7 кВт, а энергия импульсов 7.4 нДж при одномодовом распределении интенсивности в поперечном сечении.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А.А. Крылов, М.А. Чернышева, Д.С. Черных, А.К. Сенаторов, И.М. Тупицын, П.Г. Крюков, Е.М. Дианов, "Мощный тулиевый волоконный лазер с внутрире-зонаторным управлением дисперсией", Квант, электроника, 42 (5), 427 (2012).

2. М.А. Chemysheva, А.А. Krylov, P.G. Kryukov, and Е.М. Dianov "Nonlinear amplifying loop mirror based mode-locked thulium doped fiber laser", IEEE Photonics Technology Letters 24(14) 1254 (2012).

3. M.A. Chemysheva, A.A. Krylov, P.G. Kryukov, N.R. Arutyunyan, A.S. Pozharov, E.D. Obraztsova, and E.M. Dianov "Thulium-doped mode-locked all-fiber laser based on NALM and carbon nanotube saturable absorber", Optics Express 20(26), В124 (2012).

4. M.A. Chemysheva, A.A. Krylov, A.A. Ogleznev, N.R. Arutyunyan, A.S. Pozharov, E.D. Obraztsova, and E.M. Dianov "Transform-limited pulse generation in normal cavity dispersion erbium doped single-walled carbon nanotubes mode-locked fiber ring laser", Optics Express 20(21) 23994 (2012).

5. M.A. Чернышева, A.A. Крылов, A.A. Оглезнев, П.Г. Крюков, H.P. Арутюнян, А.С. Пожаров, Е.Д. Образцова, Е.М. Дианов "Управление параметрами генерации эрбиевого кольцевого волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод с помощью углеродных наноструктур" Квант, электроника 43(8) 691 (2013).

6. A.A. Krylov, М.А. Chemysheva, D.S. Chernykh, I.M. Tupitsyn "High power MOPA-laser based on a mode-locked thulium-doped fiber oscillator with in-tracavity dispersion management", Laser Physics 23(4) 045108 (2013).

7. A.A. Krylov, M.A. Chemysheva, D.S. Chernykh, P.G. Kryukov, and E.M. Dianov "Picosecond pulse compression by means of soliton effects in single-mode silica glass fiber in the 2 ¡im spectral range", Laser Physics 23(7) 075107 (2013).

8. А.А.Крылов, М.А.Чернышева, И.М.Тупицын, Д.С.Черных, П.Г.Крюков, Е.М. Дианов "Усиление солитонов управляемых дисперсией в тулиевом волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод" Труды ВКВО-2011, Фотон-экспресс 6(94), 61 (2011).

9. A. A. Krylov, М. Chemysheva, P. G. Kryukov, and Е. Dianov, "High-power Dispersion Managed Soliton Thulium Doped Fiber Laser", in Lasers, Sources, and Related Photonic Devices, OSA Technical Digest, JTh2A.27 (2012).

10. M.A. Chernysheva, А.А. Krylov, P.G. Kryukov, and E.M. Dianov "230 fs mode-locked thulium-doped fiber laser based on the nonlinear amplifying loop mirror" in Proc.l5th International Conference on laser Optics, 0184 (2012).

11. M.A. Chernysheva, A.A. Krylov, P.G. Kryukov, N.R. Arutyunyan, A.S. Pozharov, E.D. Obraztsova, E.M. Dianov "All-fiber thulium-doped mode-locked lasers based on the nonlinear amplifying loop mirror", in Book of abstracts 20th International Conference on Advanced Laser Technologies ALT'12, MO-4A-2-RO (2012).

12. M.A. Chernysheva, A.A. Krylov, P.G. Kryukov, N.R. Arutyunyan, A.S. Pozharov, E.D. Obraztsova, and E.M. Dianov "Thulium-doped mode-locked all-fiber laser based on NALM and carbon nanotube saturable absorber," in Proc. European Conference and Exhibition on Optical Communication, Tu.4.F.4 (2012).

13. M. Chernysheva, A. Krylov, С. Мои, R. Arif, A. Rozhin, M.H. Riimmeli, S. Turi-tsyn, E.M. Dianov "300-mW average output power hybrid mode-locked thulium-doped fiber laser", in Proc. European Conference and Exhibition on Optical Communication, P.1.9 (2013).

14. М.А.Чернышева, A.A. Крылов, П.Г. Крюков, H.P. Арутюнян, А.С. Пожаров, Е.Д. Образцова, А.Г.Рожин, С.К. Турицын, Е.М. Дианов "Генерация инверсно-модифицированных солитонов в волоконных лазерах с пассивной синхронизацией мод", Труды ВКВО-2013, Фотон-экспресс 6(110), 190 (2013).

Чернышева Мария Анатольевна Генерация субпикосекундных импульсов в различных схемах тулиевых волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата физ.-мат. наук. Подписано в печать 16.12.13 Заказ № 179 Формат 60x90/16 Усл. печ. л. 0,78 Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинский проспект, д.2 (495) 978-66-63, www.reglet.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научный центр волоконной оптики Российской академии наук

04201455958

Чернышева Мария Анатольевна

ГЕНЕРАЦИЯ СУБПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ В РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ ТУ ЛИЕВЫХ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД

01.04.21 - Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, профессор Крюков П.Г.

На правах рукописи

Москва-2013

Содержание

Список используемых сокращений......................................................................4

Введение..................................................................................................................6

Преимущества и особенности волоконных лазеров............................................6

Реализация непрерывного режима пассивной синхронизации мод....................7

Нелинейная эволюция поляризации..................................................................12

Внутрирезонаторное управление дисперсией...................................................15

Постановка задач диссертации..........................................................................18

1. Тулиевые волоконные лазеры с пассивной синхронизацией мод с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM................24

11.1 Особенности генерации лазеров на основе тулиевых световодов.............25

.2 Полупроводниковый насыщающийся поглотитель SESAM.........................29

1.3 Тулиевый волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM с линейной геометрией резонатора..............................................................34

1.4 Нелинейное усиливающее кольцевое зеркало.............................................43

1.5 Тулиевый волоконный лазер с гибридной пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала.....................46

Выводы по главе 1..............................................................................................55

2. Тулиевые волоконные лазеры с пассивной синхронизацией мод с помощью углеродных наноструктур..........................................................................57

2.1 Одностенные углеродные нанотрубки в качестве насыщающегося поглотителя в лазерной схеме....................................................................................58

2.2 Тулиевый волоконный лазер с гибридной пассивной синхронизацией мод с помощью одностенных углеродных нанотрубок и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала.....................................................................................................65

2.3 Тулиевый кольцевой волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью одностенных углеродных нанотрубок и нелинейной эволюции

поляризации................................................................................................................76

2.4 Тулиевый кольцевой волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью одностенных углеродных нанотрубок и внутрирезонаторным управлением дисперсии.............................................................................................83

Выводы по главе 2..............................................................................................94

3. Усиление и сжатие ультракоротких импульсов...........................................96

3.1 Тулий-иттербиевый световод с многоэлементной первой оболочкой........96

3.2 Однокаскадная схема тулий-иттербиевого волоконного усилителя...........99

3.3 Двухкаскадная схема тулий-иттербиевого волоконного усилителя.........104

Выводы по главе 3............................................................................................115

Заключение.........................................................................................................117

Благодарности....................................................................................................119

Литература..........................................................................................................120

Список используемых сокращений

MCVD - modified chemical vapor deposition - модифицированное химическое осаждение из газовой фазы

VAD - vapor axial deposition - аксиальное осаждение из газовой фазы OVD - outside vapor deposition - внешнее осаждение из газовой фазы SPCVD - super plasmonic chemical deposition - метод химического осаждения их плазмы

ФСМ - фазовая самомодуляция ДГС - дисперсия групповых скоростей НЭП - нелинейная эволюция поляризации

SESAM - semiconductor saturable absorber mirror - полупроводниковый насыщающийся поглотитель ОУН - одностенные углеродные нанотрубки УД-солитон - солитон, управляемый дисперсией МВЕ - molecular beam epitaxy - молекулярно-лучевая эпитаксия MOCVD - metal-organic chemical vapor deposition - металло-органическое осаждение из газовой фазы

SBR - saturable Bragg reflector - насыщающийся Брэгговский отражатель УКИ - ультракороткий импульс

A-FPSA - anti-resonant Fabry-Perot saturable absorber - нерезонансный насыщающийся поглотитель типа резонатора Фабри-Перо

AR-FPSA - anti-reflection-coated Fabry-Perot saturable absorber - насыщающийся поглотитель типа резонатора Фабри-Перрох антиотражающим покрытием D-SAM - dispersive saturable absorber - дисперсионный насыщающийся поглотитель ВЗС - волоконное зеркало Саньяка MFD - mode field diameter - диаметр поля моды WDM - wavelength devision multiplexor - волоконный мультиплексор КП - контроллер поляризации SMF -single mode fiber - одномодовый световод

4

АКФ - автокорреляционная функция

CVD - chemical vapor deposition - химическое осаждение из газовой фазы HiPCO - high pressure СО conversion - метод разложения монооксида углерода СО под высоким давлением RMB - radial breathing mode - радиальная «дыхательная» мода КМЦ - карбоксиметилцеллюлоза ПВС - поливиниловый спирт

МПО-световод - световод с многоэлементной первой оболочкой

Введение

Преимущества и особенности волоконных лазеров

В 1961 году Е. ЗпИгег представил первый волоконный лазер на основе световода, легированного ионами неодима°'[2]. Однако интенсивное развитие исследований и разработки волоконных лазеров и усилителей началось после создания мощных и компактных полупроводниковых лазерных диодов, применяемых в качестве источников накачки[3]"[51 Вторым немаловажным аспектом развития явилась реализация световодов, обладающих низкими потерями (до 0,16 дБ/км на длине волны 1550 нм)[6][7], путем разработки и оптимизации методов изготовления преформ для их вытяжки, например мсуб[8][9] (модифицированного химического осаждения из газовой фазы), УА^10-1 (аксиального осаждения из газовой фазы), ОУО[11^ (внешнего осаждения из газовой фазы) и 8рсуб[12] (метода химического осаждения из плазмы). Это позволило создавать необходимый профиль показателя преломления световода, а также легировать его сердцевину и оболочку различными элементами для получения световодов с заданными параметрами.

В настоящее время благодаря своим неоспоримыми преимуществами волоконные лазеры все чаще заменяют объемные твердотельные во многих областях науки и тех-ники[,3][15]. Генерация твердотельных лазеров является нестабильной при различных внешних воздействиях, особенно механических, так как любое незначительное колебание элементов вызывает разъюстирование лазерной системы. Волоконные лазеры свободны от данного недостатка, им свойственна компактность и надежность конструкции, обусловленная простотой лазерной системы. В случае волоконных лазеров отсутствует необходимость механических юстировок, так как излучение распространяется в сердцевине световода за счет эффекта полного внутреннего отражения. Кроме того, волоконные лазеры не сталкиваются с проблемой с теплоотвода даже при достижении мощности генерируемого излучения более 100 Вт ввиду большой площади поверхности световодов по сравнению с диаметром. Волоконные лазеры также обладают высокой эффективностью накачки, выходное лазерное излучение имеет высокое качество, генерируются одномодовые, гауссовые пучки[16] с широким диапазоном

6

мощностей (от нескольких мВт до десятков кВт в непрерывном режиме) и длительностей импульсов при работе в импульсном режиме (от нескольких микросекунд до десятков фемтосекунд). Однако, полностью волоконная конфигурация лазерного резонатора усложняет процесс его разработки и оптимизации, так как в случае полностью замкнутой конструкции затруднено плавное варьирование параметров схемы (например изменения длины резонатора), введение излучения накачки в сердцевину световода, а также внедрение и регулировка внутрирезонаторных элементов, таких как линзы, призмы или дифракционные решетки.

Реализация непрерывного режима пассивной синхронизации мод

Задача разработки лазеров ультракоротких импульсов (УКИ) является актуальной в течение более двух десятков лет с момента их первой демонстрации^7], так как работа лазера в импульсном режиме генерации позволяет увеличить энергию и достичь высокую пиковую мощность излучения. При этом работа в непрерывном режиме генерации импульсов позволяет точно измерять их длительность, а также восстанавливать форму. Благодаря использованию методик измерения автокорреляционных функций интенсивности генерируемых ультракоротких импульсов, фемтосекундные лазеры имеют широкой круг применений как в нелинейной оптике, так и в прецизионной метрологии времени и длины[18], а также в спектроскопии[19] и астрофизике[20].

Для реализации генерации коротких и ультракоротких импульсов применяются методы модуляции добротности резонатора, пассивной синхронизации мод или их комбинация. Первые исследования режима пассивной синхронизации мод проводились еще в 1960-1970-х годах на примере твердотельных лазеров и лазеров на основе красителей1-2При этом в последних была достигнута достаточно короткая длительность импульсов, менее 100 фс[22]. Однако, ввиду малой эффективности генерации, сложности и непрактичности устройства они не нашли широкого применения вне лабораторий. С переходом в 1980-х годах к изучению нелинейных эффектов в оптических световодах произошел существенный прорыв в разработке лазеров ультракоротких импульсов, работающих на длинах волн ближнего ИК-диапазона[23].

Формирование УКИ в лазерах с пассивной синхронизацией мод происходит

за счёт влияния механизма насыщения потерь, который инициирует и поддерживает режим непрерывной генерации[24], а также взаимного действия нелинейного эффекта фазовой самомодуляции (ФСМ), дисперсии групповых скоростей (ДГС) в лазерном резонаторе. Использование объемных дифракционных решеток или расположение на длине лазерного резонатора участков световодов, ДГС которых имеет разные знаки, позволяет управлять режимами генерации лазера и получать при этом импульсы с варьируемыми в достаточно широких пределах длительностью, энергией, а также формой и шириной спектра[25].

Формирование импульсов в лазерах с пассивной синхронизацией мод можно объяснить с помощью так называемой флуктуационной модели[26]. Непрерывное лазерное излучение представляет собой суперпозицию мод резонатора с хаотическим распределением фаз, которые в результате дают набор флуктуаций интенсивности. Число мод и средняя длительность подобных флуктуационных импульсов определяются не только длиной резонатора, но также шириной спектра усиления активной среды. Действие насыщающегося поглотителя похоже на дискриминатор по интенсивности, то есть он пропускает флуктуационные импульсы высокой интенсивности, способной вызвать его просветление. При многократном проходе излучения через насыщающийся поглотитель выделяется один флуктуационный импульс, который кроме того усиливается в активной лазерной среде. Основным параметром насыщающегося поглотителя является время релаксации хреп просветленного состояния, то есть время, за которое он восстанавливает свое первоначальное состояние. При достаточно коротком времени релаксации, меньшем интервала следования импульсов, селекция импульсов по интенсивности происходит более качественно, кроме того осуществляется сокращение длительности импульсов[27]. За время, равное нескольким обходам резонатора, наступает стадия насыщения усиления и полного просветления поглотителя. В результате чего остается только один импульс, циркулирующий в резонаторе. Таким образом, на выходе лазера наблюдается стабильная непрерывная последовательность импульсов с интервалом следования, равным периоду обхода излучением резонатора[26].

При реализации непрерывного стационарного режима пассивной синхронизации мод импульс, распространяясь вдоль резонатора, восстанавливает свою форму в конце каждого обхода. Данный факт позволяет описать зависимость амплитуды электрического поля Е в импульсе уравнением Гинзбурга-Ландау[27]:

-И1>-(1 + Ы) + д( 1 + Vn2cJ £ + iD £ + (у - i6)|£ I2] Е=0 (1)

где iр - сдвиг фазы, 1 и к - комплексные потери, g - усиление, ПуСИЛ - ширина полосы уширения, D - дисперсия групповых скоростей, у|£|2 и 5|£|2 - параметры действия насыщающегося поглотителя. Данное уравнение имеет решение в виде:

Е = Л05ес/1(7т)1+Ф (2)

где т - длительность импульса, - параметр чирпа импульса. При отрицательной ДГС D < 0 и р = 0 данное уравнение описывает спектрально ограниченные импульсы - со-литоны.

При распространении импульса потери в резонаторе компенсируются усилением в активной среде. Возникающая вследствие нелинейной зависимости показателя преломления кварцевого стекла от амплитуды импульса ФСМ совместно с аномальной дисперсией резонатора формируют при их балансе солитонный импульс[28].

Одним из основных методов инициации режима пассивной синхронизации мод является использование оптического эффекта Керра, то есть зависимости двойного лучепреломления от величины электрического поля световой волны, возникающего за счет создания нелинейного интерферометра внутри лазерного резонатора[28]. Данный эффект применяется в методе нелинейной эволюции поляризации (НЭП), при этом в интерференции участвуют ортогонально поляризованные моды, или в схемах с нелинейным кольцевым волоконным зеркалом[29][30]. Впервые НЭП был реализован в 1982 году в работе R.H. Stolen et.alP^на примере использования световода с высоким дву-лучепреломлением в лазерном резонаторе для уменьшения длительности генерируемых импульсов и подавления дополнительных малоинтенсивных более коротких импульсов. Первый волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью НЭП был реализован в 1991 году группой М Hofer et а/.[32] на основе световода легированного неодимом. Лазер генерировал импульсы длительностью до 70 фс. Так как эффект

Керра связан с воздействием электромагнитного поля на электроны активной среды лазера, насыщающийся поглотитель, основанный на данном методе имеет малое время отклика порядка 10 фс, что позволяет генерировать импульсы длительностью менее 100 фс[33].

С момента своего изобретения в 1992 году[34] и по настоящее время для инициации импульсного режима модуляции добротности, пассивной синхронизации мод или одновременно этих двух режимов в твердотельных и волоконных лазерах в широком диапазоне длин волн генерации применяются полупроводниковые насыщающиеся поглотители (SESAM - semiconductor saturable absorber mirror/351, которые представляют собой зеркало резонатора с нанесенными на него слоями полупроводникового материала с наноразмерными объектами типа квантовых ям. Данной полупроводниковой структуре характерно свойство насыщения поглощения под действием интенсивного излучения определенной длины волны. Основным преимуществом таких насыщающихся поглотителей является возможность варьирования и контроля основных параметров (поток насыщения, время релаксации, вносимые потери) в процессе его изготовления, регулируя условия роста, задавая необходимую конфигурацию слоев и концентрацию вносимых в них тяжелых ионов[36]. Таким образом, современные полупроводниковые насыщающиеся поглотители SESAM способны реализовать генерацию импульсов длительностью от нескольких наносекунд до нескольких фемтосекунд в широком диапазоне длин волн от видимой до средней инфракрасной области и мощностью от нескольких милливатт до сотен ватт[37].

При поглощении излучения полупроводником электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости. При достаточно высокой интенсивности падающего излучения наступает насыщение поглощения, так как согласно принципу Паули ни один электрон больше не может перейти на более высокий энергетический уровень. Применение полупроводниковых материалов объясняется наличием нескольких времен релаксации: быстрого, обусловленного внутризонной термализацией электронов при электрон-электронных соударениях, медленного, соответствующего внутризонным взаимодействиям электронов с фононами решетки, и очень медленного вследствие межзонной релаксации электронов[27][35]. Медленное время релаксации (большее, чем

период следования флуктуационных импульсов) способно снизить поток насыщения поглотителя (то есть интенсивность излучения, требуемую для просветления), так как в таком случае в процессе просветления участвуют одновременно несколько импульсов. Это приводит к упрощению само-запуска режима пассивной синхронизации мод. Короткое время релаксации (меньше периода следования флуктуационных импульсов) способствует сокращению длительности импульсов до суб-пикосекундной и фемтосе-кундной длительности.

В последние 5 лет на смену полупроводниковым насыщающимся поглотителям приходят одностенные углеродные нанотрубки (ОУН), обладающие полупроводниковыми свойствами. Изначально углеродные нанотрубки были получены как побочные продукты при производстве фуллеренов, однак�