Техника измерения частот с использованием фемтосекундного лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

1. Введение.

Краткое содержание работы.

Заключение

Определены основные механизмы формирования огибающей спектра фемтосекундного излучения, уширенного в волокне с перетяжкой. Продемонстрирована возможность эффективного уширения спектра (вплоть до нескольких сотен ТГц) посредством таких волокон. Показано, что путем регулирования и оптимизации характеристик входного излучения и параметров волокна можно получить оптимальную форму спектральной огибающей и стабильный сигнал на выбранной оптической частоте.

Показано также, что при условии обеспечения стабильного ввода излучения в волокно и низкого уровня амплитудного шума лазера регулярная структура фемтосекундной частотной гребенки, высокая стабильность межмодовой частоты и частоты смещения в значительной мере сохраняются и после спектрального уширения в волокне с перетяжкой

Преимущества волокон с перетяжкой над микроструктурными волокнами заключаются в их низкой стоимости и возможности варьировать в широком диапазоне их основные параметры. Кроме того, распространение излучения в волокнах с перетяжкой достаточно легко поддается теоретическому анализу и моделируется посредством сравнительно простых численных методов.

1. G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Second edition, John Wiley & Sons, 1995.

2. G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, Second edition, John Wiley & Sons, 1997.

3. G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics -Optics and Photonics, Third Edition, Academic Press, 2001.

4. Rui Zhang, Jorn Teipel, Xinping Zhang, Dietmar Nau, Harald Giessen,"Group velocity dispersion of taperedfibers immersed in different liquids", Optics Express, Vol. 12, Issue 8, Page 1700, April 2004.

5. N. A. Mortensen, "Effective area of photonic crystal fibers", Opt. Express Vol. 10, No 7, pp. 341348,2002.

6. R. H. Stolen, and C. Lin, "Self-phase modulation in silica optical fibers", Phys. Rev. A, Vol. 17, No. 4, pp. 1448-1453, 1978.

7. T.ABirks, W.J. Wads worth, and P.St J. Russell, "Super continuum generation in taperedfibers", Opt. Lett., 25,1415 (2000).

8. S.M. Kobtsev, S.V. Kukarin, N.V. Fateev, "Controlling the width of a femtosecond continuum generated in a small-diameter fibre, Quantum Electronics", 32, 1 (2002);

9. J. Teipel, K. Franke, D. Turke, F. Warken, D. Meiser, M. Leuschner, H. Giessen, "Characteristics of supercontinuum generationin tapered fibers using femtosecond laser pulses", Appl. Phys. B, 77, 245251 (2003).

10. N. Tzoar and M. Jain, "Self-phase modulation in long-geometry optical waveguides", Phys. Rev. A 23,1266-1270(1981).

11. Hiroshi Kumagai, Sung-Hak Cho, Kenichi Ishikawa, and Katsumi Midorikawa, "Observation of the complex propagation of a femtosecond laser pulse in a dispersive transparent bulk material", J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 20, No. 3, March 2003.

12. K. J. Blow and D. Wood, "Raman response function of silica-core fibers", IEEE J. Quantum Electron. Vol. 25, No. 12, pp. 2665-2673,1989.

13. M. D. Levenson and N. Bloembergen, "Dispersion of the nonlinear optical susceptibility tensor in centrosymmetric media", Phys. Rev. B, Vol. 10, No. 10, pp. 4447-4463,1974.

14. W. J. Wadsworth, N. Joly, J. C. Knight, T. A. Birks, F. Biancalana, P. St. J. Russell, "Supercontinuum and four-wave mixing with Q-switched pulses in endlessly single-mode photonic crystal fibres", OPTICS EXPRESS, Vol. 12, No. 2 , January 2004.

15. P. K. A. Wai, H. H. Chen, and Y. C. Lee, "Radiations by 'solitons' at the zero group-dispersion wavelength of single mode fiber", Phys. Rev. A, Vol. 41, No. 1, pp. 426-439, 1990.

16. F. M. Mitschke and L. F. Mollenauer, "Discovery of soliton self-frequency shift", Opt. Lett., Vol. 11, No. 10, pp. 659-661,1986.

17. J. P. Gordon, "Theory of the soliton self frequency shift", Opt. Lett., Vol. 11, No. 10, pp. 662-664, 1986.

18. A.V. Husakou and J. Herrmann, "Supercontinuum Generation of Higher-Order Solitons by Fission in Photonic Crystal Fibers", Phys. Rev. Lett., 87,20 (2001)

19. Hermann J., et al., "Experimental Evidence for Supercontinuum Generation by Fission of Higher-Order Solitons in Photonic FibersPhys. Rev. Lett., 88,17, (2002)

20. S. M. Kobtsev, S. V. Kukarin, N. V. Fateev, and S. V. Smirnov, "Generation of Self-Frequency-Shifted Solitons in Tapered Fibers in the Presence of Femtosecond Pumping", Laser Physics, Vol. 14, No. 5, pp. 748-751,2004.

21. Fisher R.A., Bischel W.K., "The role of linear dispersion in plane-wave self-phase modulation", Appl. Phys. Lett., 23,661 (1973).

22. Ian G. Fuss, Kenneth J. Grant, "An all frequency model of optical pulse train noise spectra ", Optical and Quantum Electronics 31, pp. 431-449,1999.

23. Danny Eliyahu, Randal A. Salvatore, Amnon Yariv, "Noise characterization of a pulse train generated by actively mode-locked lasers", Vol. 13, No. 7, J. Opt. Soc. Am. B, July 1996.

24. Fuss, I ,G.,"An interpretation of the spectral measurement of optical pulse train noise", IEEE J. Quantum Electron., Vol. 30, No. 11, November 1994

25. Тага M. Fortier, Jun Ye, and Steven T. Cundiff, "Nonlinear phase noise generated in air-silica microstructure fiber and its effect on carrier-envelope phase", Opt. Lett., Vol. 27, No. 6, pp. 445-447, 2002.

26. N. R. Newbury, B. R. Washburn, K. L. Corwin, R. S. Windeler, "Noise amplification during supercontinuum generation in microstructure fiber", Optics Letters, Volume 28, Issue 11, 944-946 June 2003.

27. H.R. Telle, G. Steinmeyer, A.E. Dunlop, et al., "Carrier-envelope offset phase control: A novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation ", Appl. Phys., В Vol. 69, No. 4,327,1999.

28. S.N. Bagayev, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev, et al, "A femtosecond self-mode-locked Ti:sapphire laser with high stability ofpulse-repetition frequency and its applications", Vol. 70, No. 3, 375,2000.1. Глава 4

29. Фазовая синхронизация лазерных частотфазовая привязка лазерного диода к моде фемтосекундного лазера/1. Глава 4

30. Фазовая синхронизация лазерных частот

31. Диодный лазер с внешним резонатором

32. Рис. 1. Типичный спектр сигнала биений между двумя идентичными ДЛВР (с решетками Литтрова). Спектральное разрешение 100 кГц; время усреднения: 20 мс.

33. Система оптической фазовой автоподстройки частоты

34. Ограничения аналогового фазового детектора

35. Рис.2. Сигнал ошибки на выходе ФД:a) Насыщающийся цифровой фазочастотный детектор;b) Аналоговый фазовый детектор (диодный смеситель).

36. Мгновенная разность фаз входных сигналов (рад)44 Цифровой фазовый детектор

37. Рис. 3. Блок-схема цифрового ФЧД.

38. Экспериментальная установка. Полученные результаты45.1 Комбинированный ФЧД и цепи обратной связи

39. Мгновенная разность фаз (радиан)

40. Рис. 7. (а) Оптоэлектронная система для детектирования сигнала биений: ПК поляризационный куб; П -поляризатор; (б) Спектр сигнала биений после низкочастотной фильтрации и усиления.

41. С.Е. Wieman, L. Hollberg, "Using Diode Lasers for Atomic Physics", Rev. Sci. Instrum. 62, 11991).

42. K. Petermann, "Laser Diode Modulation and Noise", Kluwer Academic Publishers, Tokyo (1991).

43. K.B. MacAdam, A. Steinbach, C. Wieman, "A Narrow-Band Tunable Diode Laser System with Grating Feedback, and a Saturated Absorption Spectrometer for Cs and Rb", Am. J. Phys. 60, 121992).

44. APapoulis, "Probability, Random Variables, and Stochastic Processes", McGraw-Hill, New-York (1984).

45. A. L. Schawlov, С. H. Townes, "Infrared and Optical masersPhys. Rev. 112, 1940 (1958).

46. K. Nakagawa, M. Kourogi, and M. Ohtsu, "Proposal of a frequency synthesis chain between the microwave and optical frequencies of the Ca intercombination line at 657 nm using diode lasers ", Appl. Phys. B, 57, 425 (1993).

47. M. Prevedelli, T. Freegarde, T.W. Hansch, "Phase Locking of Grating-Tuned Diode Lasers ", Appl. Phys. В 60, S241 (1995).

48. M. Zhu, J.L. Hall, "Stabilization of Optical Phase-Frequency of a Laser System: Application to a Commercial Dye Laser with an External Stabilizer", J. Opt. Soc. Am. В 10, 802 (1993).

49. N. Beverini, M. Prevedelli, F. Sorrentino, B. Nyushkov, A. Ruffini, "An analog^digital phase-frequency detector for phase locking of a diode laser to an optical frequency comb", Quantum Electronics 34(6), 559 (2004).

50. Глава 5Измерение лазерных частот дальнего ИК диапазона

51. Гетеродинные методы измерения ДИК частот

52. Все используемые на практике методы измерения лазерных частот ДИК диапазона могут быть классифицированы по способу получения опорной частоты:

53. Таким образом, одиночный нелинейный элемент способен сразу давать электрический выходной сигнал (индуцируемый излучением отклик) на частоте featft1. FIR

54. Рис. 1. Новая концепция измерения лазерных частот ДИК диапазона. Количество пар линий гребенки, вносящих вклад в генерацию полезного сигнала биений, можно оценить по формуле m~(Mcomb-f FIR)/frep, ГДе Afcomb это эффективная ширина частотной гребенки.

55. Требования к свойствам смесителя

56. Развитие и совершенствование гетеродинной техники измерения частот тесно увязано с разработкой новых нелинейных устройств для смешения частот (смесителей) 10-11.

57. Как уже говорилось, наиболее распространенные нелинейные устройств, используемые в ДИК диапазоне это разного рода широкополосные точечные диоды.

58. Отдельно можно упомянуть устройства на переходах Джозефсона, состоящие из слабосвязанных сверхпроводящих слоев (обычно из Nb) разделенных тонким слоем изолятора.

59. В представленной далее работе использовались диоды на основе точечного контакта металл-полупроводник, изготовленные в лабораторных условиях с использованием различных полупроводников.

60. Экспериментальная установка. Полученные результаты53.1 ДИК-лазер (молекулярный лазер с оптической накачкой)

61. Рис. 2. Фотография точечного диода (область точечного контакта металл-полупроводник, увеличенная с помощью растрового электронного микроскопа).53.4 Экспериментальные измерения

62. CH3I DCOOH CH3I 10P32 10R34 10P18 1253.738 713.106 447.142 239118.9 420404.0 670463.0