Мощностные характеристики волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Ватник Илья Дмитриевич

Мощностные характеристики волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной

связью

01.04.05 "Оптика"

5 ФЕВ 2015

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск — 2015

005558459

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)

Чуркин Дмитрий Владимирович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт автоматики и электрометрии

Курков Андрей Семенович

доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН, г. Москва

Смирнов Сергей Валерьевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва Защита состоится «10» апреля 2015 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.005.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте автоматики и электрометрии СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАиЭ СО РАН и на сайте www.iae.nsk.su.

Автореферат разослан « 30 » января 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета . . у д.ф.-м.н. /]//^^f Ильичёв Л.В.

Общая характеристика работы

Актуальность

В 2010 году была продемонстрирована работа нового типа волоконного лазера — ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью [1]. В нем обратная связь реализуется за счет обратного рэлеевско-го рассеяния на неоднородностях, случайным образом расположенных всюду вдоль сердцевины волоконного световода. Усиление в лазере создается за счет нелинейного эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) [2].

ВКР-лазер со случайной распределенной обратной связью обладает всеми преимуществами волоконных лазеров, использующих эффект ВКР для создания усиления, отличаясь при этом простотой и отсутствием модового состава в излучении. Лазер может быть использован для разнообразных применений: получения многоволновой [3] и перестраиваемой [4] генерации, создания распределенного усиления в оптических линиях связи [5] и сенсорных системах [6], получения генерации в новых спектральных диапазонах. Однако, несмотря на непрерывно растущий интерес к лазеру со случайной распределенной обратной связью, практически не уделялось внимания таким базисным свойствам лазера, как мощностные характеристики. В работах [1,7] было описано поведение пороговых мощностей генерации накачки в зависимости от длины лазера, однако полноценного исследования зависимости мощностей генерации от параметров лазера, конкретной схемы заведения накачки и т.д. проведено не было. В то же время, наличие такой информации является необходимым условием для создания оптимальных схем лазера для конкретных применений.Тем не менее, к моменту начала нашей работы отсутствовало систематическое описание свойств лазера, в частности, его мощностных характеристик, тогда как наличие такой информации необходимо для создания лазера с оптимальными параметрами для конкретных применений, например, для получения генерации с максимальной эффективностью. Отметим, что в предыдущих работах эффективность генерации составляла величины порядка 10%, что существенно меньше эффективности, получаемой в традиционных ВКР-лазерах и достигающей 80-90% (см. например [8]).

При использовании ВКР-лазеров со случайной распределенной обратной связью в качестве распределенных усилителей существенным становится другое требование - максимально равномерного распределения мощности генерации вдоль волоконного световода для уменьшения шум-фактора усилителя [9]. Поэтому актуальной задачей является изучение распределений мощности генерации вдоль волокна. Кроме того, знание о продольных распределениях мощности поможет провести оптимизацию выходных мощностей лазера.

Наконец, для получения генерации в определенных диапазонах ин-

фракрасного спектра в настоящий момент используются многокаскадные ВКР-лазеры с резонаторами, образованными точечными отражателями [10]. Естественным вопросом ставится возможность каскадной генерации в лазере со случайной распределенной обратной связью и целесообразность ее использования, т.е. эффективность каскадной генерации.

Цель работы

Основная цель данной работы сформулирована как изучение мощ-ностных характеристик волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью, включая продольные распределения и выходные мощности генерации первой и второй стоксовых компонент.

Задачи работы

1. Изучение продольных распределений мощности генерации волоконных ВКР-лазеров со случайной распределенной обратной связью в различных конфигурациях;

2. Изучение выходных мощностных характеристик волоконных ВКР-лазеров со случайной распределенной обратной связью, проведение оптимизации параметров лазера для достижения высокоэффективной генерации;

3. Изучение возможности каскадной генерации в волоконном ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью.

Научная новизна

В работе проведено экспериментальное и численное исследование мощностных характеристик генерации в волоконном лазере нового типа, сколько-нибудь полного описания свойств которого до настоящего времени не существовало.

Впервые измерены продольные распределения мощности генерации вдоль волоконного световода в различных схемах лазера ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью. Впервые проведена оптимизация параметров лазера и получена высокоэффективная генерация. Впервые показано существенное влияние слабых точечных отражателей на выходных торцах лазера на параметры генерации. Впервые получена высокоэффективная каскадная генерация второй стоксовой компоненты в ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью.

Практическая значимость

Значимость полученных результатов обусловлена обширным спектром возможных применений изучаемого лазера. Простота его исполнения, а также сравнимые со стандартными ВКР-лазерами, использующими другой тип обратной связи, мощностные и спектральные характеристики делают его привлекательной заменой стандартным ВКР-лазерам при создании перестраиваемых, многоволновых лазеров, в задачах удвоении частоты, для создания распределенных ВКР-усилителей в сверхдальних оптических линиях связи и в сенсорных системах удаленного типа. Результаты и рекомендации, изложенные в работе, позволяют провести оптимизацию мощностных характеристик лазера для каждого конкретного применения.

Положения, выносимые на защиту

1. Продольные распределения мощности генерации в ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью различаются для схем лазера с разным направлением распространения волны накачки. В схеме с обратной накачкой распределение мощности генерации имеет единственный максимум, который достигается у выходного торца волокна, тогда как в одноплечевой схеме присутствует второй максимум мощности, отстоящий от точки ввода накачки на расстояние, зависящее от мощности накачки.

2. В волоконном ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью возможна генерация с высокой эффективностью. В схеме с прямой накачкой максимальная эффективность достигается при оптимальной длине волокна, зависящей от мощности накачки. В схеме с обратной накачкой и одноплечевой схеме максимальная эффективность достигается при длине волокна, обеспечивающей минимальный порог.

3. Слабые точечные отражатели принципиально изменяют мощностные характеристики волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью, а именно, уменьшают порог генерации первой и второй стоксовой компонент, а также приводят к изменению дифференциальной эффективности генерации.

4. Обратная связь за счет рэлеевского рассеяния позволяет получать высокоэффективную каскадную генерацию второй стоксовой компоненты при достаточной величине ВКР-усиления.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская конференция по волоконной оптике (12-14 октября 2011 г., Пермь), Российский семинар по волоконным лазерам (2730 марта 2012 г., Новосибирск), Международная конференция Nonlinear Photonics (17-21 июня 2012 г., Колорадо Спрингс, США), Международная конференция CLEO Europe - IQEC (12-16 мая 2013 г., Мюнхен, Германия), Международная конференция LPHYS'13 (15-19 июля 2013 г., Прага, Чехия), Международная конференция Nonlinear Photonics (2731 июля 2014 г., Барселона, Испания).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях в российских и зарубежных рецензируемых научных журналах, входящих в перечень изданий Высшей аттестационной комиссии [А1-А7], а также в б тезисах и сборниках трудов всероссийских и международных конференций [А8-А13].

Личный вклад

Основные результаты получены автором лично. Автор активно участвовал во всех этапах исследований: от планирования экспериментов до обсуждения результатов, теоретического анализа и подготовки статей.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения. Полный объем диссертации 109 страниц текста с 43 рисунками. Список литературы содержит 87 наименований.

Содержание работы

Во введении приведен обзор исследований, посвященных лазерной генерации в средах с нерегулярной обратной связью, и история создания первого волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью. Формулируются цели данной работы и обсуждается ее актуальность. Приведены краткое содержание работы и защищаемые положения.

В первой главе рассматриваются принципы создания усиления и обратной связи в исследуемом лазере. Даются основные сведения о

Рис. 1. Продольные распределения мощности генерации (а) в схеме с обратной накачкой (симметричная конфигурация), (б) в одноплечевой схеме. Черным - мощность обратной волны, серым - мощность прямой волны. Линиями - численный счет.

процессе вынужденного комбинационного рассеяния и обратном рэле-евском рассеянии, а также о способах измерения соответствующих констант в волоконном световоде. Дан краткий обзор типичных свойств генерации лазера: мощностных, спектральных, временной динамики и выходного качества пучка. Рассмотрены все основные схемы ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью. Приведено описание численной модели баланса мощностей, с помощью которой в следующих главах проводилось численное моделирование мощностных характеристик лазера.

Вторая глава посвящена изучению продольных распределений мощности в разных схемах волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью. Описана экспериментальная методика, с помощью которой измерялись продольные распределения мощности. Представлены экспериментально полученные продольные распределения в схеме с односторонней накачкой из центра. Эта схема не представляет интерес с точки зрения получения высокоэффективной генерации и рассматривается с целью верификации численной модели, а также для измерений параметров волокна, используемых для дальнейшего проведения численного счета. Рассмотрены продольные распределения в схеме с прямой накачкой, и представлено аналитическое решение балансной модели, полученное Е. В. Подивиловым. Показано, что обратная связь за счет рэлеевского рассеяния вносит значительный вклад в эволюцию мощности всюду вдоль волокна. Экспериментально и численно изучены продольные распределения в схеме с обратной накачкой, и показано, что распределение мощности генерации в этой системе имеет единственный максимум, расположенный в точке ввода накачки (см. рис. 1а.).

Показано, что благодаря специфическому распределению обратная

связь за счет рэлеевского рассеяния в этой схеме существенна только в малой области вблизи точки ввода накачки. В остальной области наличием обратного рэлеевского рассеяния можно пренебречь. Наконец, экспериментально и численно исследованы распределения мощности в одноплечевой схеме. Показано, что в ней распределение обратной волны имеет максимум в точке ввода накачки, в то время как распределение прямой волны генерации имеет максимум в точке г = Ьдз, где ^пв ~ 1/у/Рр (рис- 16)- В этой схеме влияние обратного рэлеевского рассеяния существенно всюду вдоль волокна.

(а)

V

ссо

кп

\С- р*

50/50 ответвитель Зеркало Саньяка 2-0

(б) 5

ФоссЬосиликатное волокно

Л

г=1=0.85 км

! 4 6 8 10 Мощность накачка Вт

Рис. 2. (а) Схема ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью с прямой накачкой, (б) Выходные мощности накачки (черным) и генерации (серым).

В третьей главе рассмотрены выходные мощности генерации в разных схемах. Приведены аналитические выражения для пороговой мощности генерации в трех рассматриваемых схемах, указан принцип вычисления оптимальной длины волокна для минимизации порога генерации. Затем поочередно рассмотрены выходные мощностные характеристики для схемы с прямой накачкой, схемы с обратной накачкой, и одноплечевой схемы. Проведено сравнение экспериментальных данных с численным счетом на основе балансной модели. Показано, что максимальная эффективность генерации в схеме с прямой накачкой достигается при оптимальной длине волокна, которая должна совпадать с длиной усиления (положением максимума мощности генерации) при данной мощности накачки. Экспериментально продемонстрирована высокоэффективная генерация в схеме с прямой накачкой, полученная благодаря оптимизации длины лазера (см. рис. 2).

Показано, что в схеме с обратной накачкой и в одноплечевой схеме происходит генерация обратной волны стоксовой компоненты с постоянной дифференциальной эффективностью всюду над порогом, достигающей порядка 100% (рис. 3). Величина дифференциальной эффективности при этом слабо зависит от параметров волокна и от его длины. Этому способствуют специфические распределение мощности генерации в этих схемах — мощность генерируется в малой области неистощенной накачки и, таким образом, не затухает за счет линейных потерь и испы-

о

о

-10 км

-40 км

80 км

0

12 3 4

Мощность накачки, Вт

о

2

4

Мощность накачки, Вт

Рис. 3. Выходные мощности генерации для лазеров разной длины (а) Схема с обратной накачкой (указана длина лазера в несимметричной конфигурации) (б) Одноплечевая схема. Точками - экспериментальные данные.

тывает максимальное усиление. Следовательно, максимальная эффективность генерации в таких схемах может быть получена при использовании длин волокна, приводящих к минимальному порогу генерации.

Наконец, рассмотрен такой важный с точки зрения практических применений эффект, как влияние на мощностные характеристики паразитных точечных отражений, которые могут возникать на выходных торцах волокна в процессе проведения эксперимента. Как было показано, наличие слабых отражений может существенно понизить порог первой и второй стоксовых компонент, а также принципиально изменить дифференциальную эффективность генерации прямой и обратной волн. Таким образом, для получения стабильных во времени мощност-ных характеристик ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью необходимо обеспечивать отсутствие паразитных отражений.

Четвертая глава посвящена изучению возможности каскадной генерации в ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью. На основе балансной модели, включающей в себя уравнения на вторую стоксову компоненту, выполнен расчет порогов каскадной генерации для разных схем и показано, что порог генерации минимален в схеме с прямой накачкой благодаря наиболее равномерному распределению мощности первой стоксовой компоненты в ней. Продемонстрирована экспериментальная реализация ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью с высокоэффективной каскадной генерацией: получено 5.2 Вт мощности второй стоксовой компоненты из 11.1 Вт накачки (см. рис. 4).

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Мощность накачки. Вт

Рис. 4. Выходные мощности накачки (синим), первой (оранжевым) и второй (красным) стоксовых компонент в волоконном ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью. Сплошными линиями -численный счет.

Основные результаты

Приведем основные результаты диссертационной работы:

1. Экспериментально показано, что форма продольных распределений мощности генерации существенно различается в разных схемах волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью. В схеме с обратной накачкой единственный максимум мощности генерации достигается у выходного торца волокна — в точке ввода накачки. В одноплечевой схеме присутствует второй, меньший максимум мощности, отстоящий от точки ввода накачки на расстояние, падающее с ростом мощности накачки по обратному корневому закону.

2. Экспериментально продемонстрирована высокоэффективная генерация в волоконном ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью. В схеме с прямой накачкой после оптимизации длины волокна получено 7 Вт мощности генерации на длине волны 1308 нм из 11 Вт накачки. Показано, что в схеме с обратной накачкой и одноплечевой схеме благодаря сильно неоднородному распределению мощности обратной волны достигается дифференциальная эффективность генерации, близкая к 100%, независящая от мощности накачки и слабо зависящая от длины волокна. Максимальная полная эффективность достигается при минимальном пороге. Экспериментально получено 3 Вт и 2 Вт мощности генерации с дифференциальной эффективностью 92% и 80% в схеме с обратной накачкой и одноплечевой схеме соответственно на длине волны 1550 нм из 4 Вт мощности накачки. Эффективность генерации составляет 75% и 50% соответственно.

3. Экспериментально показано, что слабые точечные отражатели на выходных торцах принципиально изменяют мощностные характеристики волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью. Наличие слабых точечных отражателей величиной R ~ 10~3 в лазере длиной 2 км приводит к снижению порога генерации с 5.5 Вт до 4 Вт, а также к изменению дифференциальной эффективности генерации в прямом и обратном направлении. Наличие R ~ 5 • Ю-5 в лазере длиной 11 км приводит к снижению порога каскадной генерации с 12.5 до 6.6 Вт.

4. Экспериментально показано, что в волоконном ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью возможна высокоэффективная каскадная генерация. Наименьший порог генерации достигается в схеме с прямой накачкой благодаря равномерному распределению мощности первой стоксовой компоненты в ней. В этой схеме получено 5.2 Вт генерации второй стоксовой компоненты из 11.1 Вт накачки. Эффективность преобразования составляет 47%.

Публикации автора по теме диссертации

Al. Churkin D. V., Vatnik I. D., Turitsyn S. K. et al. Random distributed feedback Raman fiber laser operating in a 1.2 дю wavelength range // Laser Phys. 2011. Vol. 21, no. 8. P. 1525-1529.

A2. Vatnik I. D., Churkin D. V., Babin S. A. et al. Cascaded random distributed feedback Raman fiber laser operating at 1.2 цm. // Opt. Express. 2011. Vol. 19, no. 19. P. 18486-94.

A3. Чуркин Д. В., Эль-Тахер А. Е., Ватник И. Д., Бабин С. А. Исследование продольного распределения генерируемой мощности в волоконном ВКР-лазере со случайной распределенной обратной связью и с односторонней накачкой // Квантовая электроника. 2012. Т. 42, №- 9. С. 774-777.

А4. Vatnik I. D., Churkin D. V., Babin S. A. Power optimization of random distributed feedback fiber lasers // Opt. Express. 2012. Vol. 20, no. 27. P. 28033.

A5. Бабин С. А., Ватник И. Д. Волоконные лазеры со случайной распределенной обратной связью на рэлеевском рассеянии // Автометрия.

2013. Т. 49, №- 4. С. 3-29.

А6. Babin S. A., Vatnik I. D., Laptev A. Y. et al. High-efficiency cascaded Raman fiber laser with random distributed feedback // Opt. Express.

2014. Vol. 22, no. 21. P. 24929.

А7. Vatnik I. D., Churkin D. V., Podivilov E. V. et al. High-efficiency generation in a short random fiber laser // Laser Phys. Lett. 2014. Vol. 11, no. 7. P. 075101.

A8. Ватник И.Д., Чуркин Д. В., Бабин С.А. Волоконный ВКР-лазер со случайной распределенной обратной связью в диапазоне 1.2 мкм //В кн.: Сб. трудов Всероссийской конференции по волоконной оптике, Пермь, 2011. Специальный выпуск Фотон-экспресс, 94, А9-3.

А9. Подивилов Е. В., Чуркин Д. В.,Ватник И. Д. и др. Продольное распределение мощности генерации в волоконном ВКР-лазере со случайной распределённой обратной связью на рэлеевском рассеянии // В кн.: Материалы российского семинара по волоконным лазерам, Новосибирск, 2012. С. 92-93.

А10. Churkin D. V., Vatnik I. D., Babin S. A. Power and spectral optimization of random distributed feedback fiber lasers // Proc. of the Advance Photonics Congress, Colorado Springs, USA, 2012, JM5A.50.

All. Vatnik I. D., Churkin D. V., Babin S. A. Spectral width optimization in random DFB fiber laser // Proc. of The European Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference (CLEO®/Europe-IQEC), Munich, Germany. 2013. CJ-P.19.

A12. Vatnik I. D., Churkin D. V., Babin S. A. Random fiber laser based on Rayleigh scattering with ultimate efficiency // 22th International Laser Physics Workshop (LPHYS'13), July 15-19, Prague, Czech Republic, 2013.

A13. Vatnik I. D., Churkin D. V., Podivilov E. V., Babin S. A. Random distributed feedback fiber laser of ultimate efficiency // Proc. of Nonlinear Photonics, Barcelona, Spain, 2014, P. NW4A

Список цитируемых работ

1. Turitsyn S. К., Babin S. A., El-Taher А. Е. et al. Random distributed feedback fibre laser // Nature Photon. 2010. Vol. 4, no. 4. P. 231-235.

2. Agrawal G. P. Nonlinear fiber optics // Elsevier Academic Press, 2006. P. 552.

3. El-Taher A. E., Harper P., Babin S. A. et al. Effect of Rayleigh-scattering distributed feedback on multiwavelength Raman fiber laser generation // Opt. Lett. 2011. Vol. 36, no. 2. P. 130.

4. Babin S. A., El-Taher A. E., Harper P. et al. Tunable random fiber laser // Phys. Rev. A. 2011. Vol. 84, no. 2. P. 021805.

5. Jia X.-H., Rao Y.-J., Peng F. et al. Random-lasing-based distributed fiber-optic amplification // Opt. Express. 2013. Vol. 21, no. 5. P. 6572.

6. Martins H., Marques M. В., Frazao O. 300 km-ultralong Raman fiber lasers using a distributed mirror for sensing applications. // Opt. Express. 2011. Vol. 19, no. 19. P. 18149-54.

7. Churkin D. V., Babin S. A., El-Taher A. E. et al. Raman fiber lasers with a random distributed feedback based on Rayleigh scattering // Phys. Rev. A. 2010. Vol. 82, no. 3. P. 033828.

8. Feng Y., Taylor L. R., Calia D. B. 150 W highly-efficient Raman fiber laser // Opt. Express. 2009. Vol. 17, no. 26. P. 23678-83.

9. Headley C., G. P. Agrawal G. P. Raman Amplification in Fiber Optical Commincation Systems // Elsevier Academic Press, 2005. P. 534.

10. Bufetov I., Bubnov M. M., Larionov Y. V. et al. Highly efficient one-and two-cascade Raman lasers based on phosphosilicate fibers // Laser Phys. 2003. Vol. 13, no. 2. P. 234-239.

Подписано в печать 27.01.2015 г. Печать цифровая. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1 Тираж 110 экз. Заказ № 250

Отпечатано в типографии «Срочная полиграфия» ИП Малыгин Алексей Михайлович 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6/1,

оф. 104

Тел. (383) 217-43-46, 8-913-922-19-07