Усиление и генерация сверхкоротких импульсов в световодах, легированных ионами эрбия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ6 ОЙ Р0ССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

2 5 АПР 199-4

На правах рукописи УДК 621.373.7

ХРУЩЕВ Игорь Юрьевич

УСИЛЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В СВЕТОВОДАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ ЭРБИЯ

(01.04.21 - лазерная физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА — 1994

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ч

Актуальность темы.

Высококачественные волоконные световоды, легированные ионами редкоземельных элементов, были разработаны менее десяти лет назад, однако получили за столь короткий срок весьма широкое распространение благодаря уникальному сочетанию своих волноводных, лазерных ■ нелинейных свойств. Наибольший интерес вызывают световоды, активированные ионами Ег3+. Ширина спектра люминесценции эрбия в кварцевом стекле достаточна для усиления импульсов длительностью менее 100 фс, а максимум усиления (около 1,535 мкм) лежит в области минимальных оптических потерь плавленого кварца. Кроме того, наличие нескольких полос поглощения в диапазоне от 0,53 мкм до 1,48 мкм позволяет использовать различные источники накачки, включая лазерные диоды. Таким образом, волоконные световоды, легированные эрбием, весьма перспективны с точки зрения их использования в волоконных линиях связи. В особенности это относится к разрабатываемым солитовным линиям оптической связи, в которых эффект дисперсионного рааглывания импульсов компенсируется нелинейным эффектом фазовой самомодуляции, что позволяет резко увеличить скорость передачи информации на большие расстояния по сравнению с обычными, линейными системами связи.

Разработка элементной базы солитонных линий связи в настоящее время не полностью завершена, и если о ретрансляторах сигнала можно однозначно утверждать, что они будут основаны на эрбиевых усилителях, то в качестве источников сигнала на данном этапе конкурируют, с одной стороны, волоконные лазеры, а с другой стороны, схемы, основанные на комбинации лазерных диодов и волоконных усилителей.

ций резонатора; возможность непрерывной генерации в активной среде на основе стекла (в объемных образцах из стекла получение непрерии ной генерации осложняется проблемой теплоотвода); концентрация по л* в сердцевине световода, что обуславливает очень низкие пороговые значения мощности накачки и позволяет использовать для управления параметрами излучения нелинейные эффекты. От волоконных лазеров на основе нелинейных эффектов лазеры с активными световодами отличаются, в первую очередь, сочетанием высокого коэффициента усиления с широкой полосой (около 200см-1 в эрбиевых алюмосиликат ных световодах ), а также высокой выходной мощностью, достигающей 1 Вт в непрерывном режиме и возможностью использования накачки от лазерных диодов.

Одним из наиболее важных направлений развития волоконных лазеров является, несомненно, режим синхронизации мод, при котором генерируются импульсы пикосекундной и фемтосехундной длительности. Помимо перспектив использования эрбиевых волоконных лазеров в солитонных линиях связи лазеры такого типа являются удобным и относительно простым источником сверхкоротких импульсов для ряда исследовательских задач.

Несмотр* на большое количество публикаций, посвященных в последние годы процессам как активной, так й пассивной синхронизации мод в эрбиевых волоконных лазерах, ряд важных вопросов оставался неисследованным. Так, не была детально исследована структура импульсов пассивной синхронизации мод в лазерах с нелинейной усиливающей петлей. В связи с наблюдением интересного явления квантования энергии в волоконных лазерах с пассивной синхронизацией мод возникает вопрос о возможности эффекта памяти в Лазерах данного типа. Большое прикладное Значение для солитонных систем оптиче-

кой и с фазовым модул «тором в резонаторе.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Экспериментально показано, что при усилении малоинтенсивно! • сигнала с широким спектром в волоконном усилителе формируют«:» импульсы, близкие по параметрам к фундаментальным солитон&м При этом конечная ширина линии усиления в сочетании с большим коэффициентом усиления приводит к спектральной фильтрации у си ливаемого сигнала.

2. Установлено, что при усилении фемтосекуидных солитонов в све товоде, легированном ионами эрбия, вначале происходит рост интев сивности, затем сжатие усиливаемых импульсов, и, наконец, их рас над, сопровождающийся формированием фундаментальных солитонов в стоксовом крыле. Показано, что динамика усиления существенно за висит от соотношения между дисперсионной длиной усиливаемых импульсов и характерной длиной усиления данного световода.

3. Исследован процесс пассивной синхронизации мод в волоконном лазере с нелинейной усиливающей петлей. Предложена и реализована усовершенствованная схема лазера данного типа, позволяющая получать многосолитонные импульсы на выходе лазера без дополнительного усиления.

Практическая ценность работы. Результаты исследований, проведенных в работе, могут быть исполь эованы при разработке новых источников сверхкоротких импульсов как для систем оптической связи, так и для экспериментах, связанных с быстропротекающими процессами. /

1. Продемонстрированный метод формирования солитоноподобных им

Структура ц объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 132 страницы, включая 30 рйсунков, и библиографию из 92 пунктов.

И. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель диссертационной работы, кратко изложено основное содержание материала □о главам.

В первой главе излагаются основы теоретического описания процесса распространения световых импульсов в нелинейной диспергирующей одномерной среде, какой являются световоды на основе плавленого кварца, в том числе рассматривается случай резонансной среды. Дается обзор экспериментальных работ по распространению и усилению сверхкоротких импульсов в волоконных световодах, легированных ионами эрбия. Приводятся сведения о наиболее важных работах по исследованию генерации сверхкоротких импульсов в волоконных лазерах. На основании обзора литературы сформулирована постановка задач диссертации.

Во второй главе исследуется усиление в активных световодах малоинтенсивного сигнала от лазерного диода с быстрым насыщающимся поглотителем, сформированным методом ионной имплантации. Рассматриваются две ситуации - импульсная и непрерывная накачка сигнального лазерного диода. Экспериментально показано, что при усилении в эрбиевом световоде сигнала от лазерного диода, накачиваемого импульсами тока, формируются спектрально-ограниченные пикосе-кундные импульсы мощностью порядка мощности фундаментального солитона. При накачке непрерывным током, когда лазерный диод ра-

лааерах с нелинейной усиливающей дет дев {НУВП) в трех разданных ситуациях:

- при старте синхронизации мод из собственных шумов лазера,

- иря инжекцни внешнего сигнала,

- с фазовым модулятором, работающим на частотах высших гармоник ¡резоиат<>ра.

предложена усовершенствованная схема волоконного лазера на основе (Нелинейной усиливающей петли, позволяющая получать на выходе лазера мвогосолитоиные импульсы. Детально исследуется временная .структура генерируемых импульсов различного типа, проводится анализ условий старта синхронизации мод.

В заключении кратко излагаются основные результаты работы.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Экспериментально, показано, что при усилении в эрбиевом световоде ,импульсов малой мощности от лазерного диода с быстрым ¡насыщающимся поглотителем формируются импульсы, близкие по параметрам к фундаментальному солитону данного световода. Получена последовательность субпикосекундных солитонов с высокой частотой повторения (около Д00 ГГд). ,

2. Экспериментально исследована динамика усиления фемтосекурд-ных солитонов. Показано, что при усилении фемтосекундавдс сода-тоноподобных импульсов происходит их сжатие, затем распад на отдельные фрагменты и формирование солитонов. на стдессорцй частоте ("цветных солитонов). Установлено, что основным физия«, ¿им механизмом, ограничивающим коэффициент усиления, .дедяется не насыщение активней среды, авединейдай эффект - уход спектра импульса

4. I. Yu. Khrushchev, A. B. Grudinin, E. M. Dianov, D. V. Korobkin, V. A. Semenov, A. M. Prokhorov. Amplification of the femtosecoad pulses in Er3+ -doped single-mode optical fibers. Electr. Lett., 1990, Vol.26, No.7, pp.456-458.

5. A, B. Grudinin, E. M. Dianov, I. Yu. Khrushchev, D. V. Korobkin,

A. M. Prokhorov. Break-up of nonlinear femtosecoad optical pulses in an erbium-dopsd fibers. Proc. on ULTRAFAST PHENOMENA, Monterey, USA, 14-17 May 1990, Tech. digest series vol.6, paper WC2, pp.140-141.

6. А. Б. Грудтшн, E. M, Диаяов, Д. В. Коробкии, А. М. Прохоров,

B. А. Семенов, И. Ю. Хрущев, Усиление фемтосекуидных импульсов в одномодовых волоконных световодах, легированных ионами эрбия, КЭ, т. 17, No.8, 1990, стр. 1070-1071.

7. А. В. Grudinin, Е. М. Dianov, I. Y. Khrushchev, D. V. Korobkin, A .M .Prokhorov. Ampli&atio® of ifemtoseoaad optical pulses in erbium-doped fibres. Proc. of tbe workshop <«n OPTICAL SOLITONS, v Chimgaii-Tasldcent, Uzbek SSR, (USSR, May 22-27, 1989, pp.130-143. Ed. >F. Kh. Abdulaev. World Scientific, Singapore, 1991.

8. D. V. Korobkin, I. ¥a. Khrushchev, A. B. Jrudinin, E. M. Dianov. Ultrashort pulse amplification io erbium-doped fibre amplifiers. Nonlinear guided-wave phenomena, Cambridge, UK, 1991, September 2-4, Paper MIP6.

9. A. B. Grudinin, I. Yu. Khrushchev, D. V. Korobkin, Amplification of femtosecond optical pulses in erbium-doped fibres. Soviet Lightwave Communications, 1991, Vol.1, No.l, pp.45-52.

10. А. И. Гуриев, А. Б. Грудинин, А. Г. Дерягин, С. В. Зайцев, Д. В. Куксенков, В. И. Кубинский, Е. Л. Портной, И. Ю. Хрущев, Генерация пшсосекунд ных (г = 1,7 пс) импульсов излучения в InGaAsP/InP (А = 1,535 мкм) гетеролаэере со сверхбыстрым иасыща-

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.,В. ЛОМОНОСОВА

Ргв

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

^ На правах рукописи

ПОЛЕЖАЕВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

УДК 621.373.826

АДАПТИВНАЯ КОРРЕКЦИЯ ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

Специальность 01.04.21 — лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию компенсации фазовых искажений импульсного твердотельного лазера гибкими зеркалами внутри и вне резонатора.

Актуальность темы:

Важной характеристикой определяющей эффективность использования лазеров в технологии, связи и медицине является величина плотности мощности на оси диаграммы направленности излучения. Однако с ростом общей мощности твердотельного лазера с ламповой накачкой происходит увеличение расходимости его излучения. 1

Проблема увеличения расходимости определяется в первую очередь возникновением фазовых искажений внутри резонатора лазера. Основной причиной таких искажений являются термоаберрации активной среды, возникающие в результате действия охлавдения и излучения накачки. Важной- особенностью фазовых искажений в импульсных лазерах является их нестационарность.

Наиболее часто для уменьшения расходимости излучения применяют приемы, связанные с уменьшением добротности резонатора, например, в оптическую схему помещают диафрагму. В результате повышение качества излучения достигается за счет значительных потерь общей мощности лазера.

Возможен другой путь повышения качества излучения, не вызывающий больших потерь общей мощности. Используя методы адаптивной оптики и помещая гибкое зеркало внутри резонатора

существенно лучший результат; чем система содержащая один корректор из двух.

3. Для кристаллов YAG и YA103 экспериментально найдены зависимости первых десяти аберрационных коэффициентов от мощности накачки.

4. Изготовлено выходное гибкое зеркало резонатора для исправления крупномасштабных аберраций. Получены зависимости аберрационных коэффициентов от величины приложенных напряжений.

5. Проведен анализ адаптивного аберрационного резонатора с линзрподобнрй средой в интервале изменения мощности накачки

0.5.3.5 кВт.

Практическая ценность работы:

1. В результате совместной компенсации аберраций излучения внутри и вне резонатора плотность мощности излучения увеличилась более чем на порядок. В системе с одним корректором такой результат получить не удалось.

2. Разработана методика измерений и создана автоматизированная установка, позволяющая определять аберрации активных элементов лазеров.

3. Разработано и изготовлено гибкое зеркало для исправления крупномасштабных аберраций лазерного излучения.

4. Найдены зависимости изменения параметров линзоподобной активной среды от мощности накачки в диапазоне 0.5- 3.5 кВт для кристаллов YAG и YA103. Эти зависимости позволяют теоретически оптимизировать конфигурацию резонаторов.

1990", Москва , Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве", Шатура, (1989), 1У Нижне-волжском региональном научном семинаре "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве", Волгоград, 1991.

Публикации:. По результатам диссертации опубликовано 10 научных работ.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и

приложения. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 95 наименований и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность выбранной темы исследования, сформулирована цель работы и кратко изложено содержание работы.

В главе 1 рассматривается влияние на волновой фронт излучения основных элементов резонатора: активной среды с возникающими в ней термоаберрациями и выходного или глухого гибкого зеркала.

В разделе 1.1. кратко описываются существующие методы измерения фазовых искажений в активной среде: интерферодеетричес-кий, гартмана, теневой, тальбот - интерферометрии. Делается вывод, что наиболее приемлемым для данной задачи является метод Гартмана, как малочувствительный к вибрациям и обладающий

лампа накачки

-9-

экран

линза

§

матрица

устройство ввода изображения

-Я

телекамера

б)

• • • • • • • • • • • •

ЭВМ

• • • •• • • • • • • •

О кВт 1.84 кВт 3.41 кВт Таблица 1. Рис. 1.

абвр- УАв УАЮ3

К ЪЬ К &ь

тли 0.046 0.073 -0.031 0.08$

•ПИЙ -0.044 0.147 -0.157 0.115

до 0.373 0.021 1.037 0.076

АвН -0.026 0.015 -0.049 0.011

Ш2 0.011 0.018 0.096 0.014

Сот1 0.0013 0.066 -0.0051 0.004

БрЬ -0.0129 0.004 -0.0188 0.004

линза

а)

пьезокерамика

поверхность зеркала

электроды

1.5

2.6 »¿-и«1 а) 3,7 и4+и«2

4,8 и«1-°а2

б)

••••

• •

• • • •

• • • •

• •

• •• • • •• • • •

•••• ••••

АзП Аз12 Def 0«* Dei Рис. 2.

В разделе 1.3 рассматривается гибкое зеркало - необходимый элемент адаптивной системы, определяющий ее динамический диапазон.

Для увеличения прогиба зеркала была разработана трехслойная конструкция пьезопривода показанная на рис.2.(а). .Таким образом жесткость пьезопривода возрастает, и величина прогиба, приклеенного к нему стеклянного зеркала, увеличивается практически в три раза по сравнению с одним пьезоприводом. Для использования зеркала в качестве выходного в резонаторе лазера, привод имел отверстие Б=20 мм в центральной своей части. Адаптивное зеркало установлено в юстируемой оправе, содержащей два пьезопривода пакетного типа, обеспечивающих диапазон юстировки по. наклонам -12 мкрад .

Характеристики изготовленного зеркала проверялись с помощью метода Гартмана по 12 точкам. При этом максимальная величина прогиба зеркала на расстоянии 9-10 мм от его края составила 1мкм при управляющем напряжении 300 В. При этом форма поверхности зеркала позволяла воспроизводить аберрации второго порядка с точностью ~6%. Аберрационные коэффициенты расчитывались по методике рассмотренной в разделе 1.-2.

Из сравнения результатов исследования кристаллов и зеркала следует, что данная конструкция зеркала позволяет компенсировать искажения волнового фронта, характерные для термоаберраций активных кристаллов.

В главе 2 производится экспериментальная оценка эффектив-

- 13 -n=n0-1/2*n2*r2

где n0- показатель преломления кристалла, а п2- зависит от теплового режима и определяет оптическую силу " тепловой линзы". В разделе 1.2. получены зависимости фокусных расстояний f для YAG и А103 от мощности накачки в плоскостях х и у, которые позволяют численным методом ©пределить значения функции п2(1/Г). Используя ранее полученные зависимости фокусных расстояний FyAGH fYAl от мощности накачки Р . были расчитаны п2х(Р) и п2у(Р). Данные зависимости хорошо аппроксимируются следующими функциями:

YAG п2х=х1•52дз* 3.2187е-6, п2у=7.54452е-6*Х-2.84152е-7; YA103 п2х=х1-47425* 1.47061е-5, пгу=х1'43455* 1.83306е-5; В разделе 2.3. приводится расчет конфигурации адаптивного резонатора с учетом следующих специфических особенностей:

- необходимость расширения пучка излучения внутри резонатора из-за различия размера рабочих апертур A3 и гибкого зеркала;

- аберрационность резонатора;

Определены зоны устойчивости и влияние термоаберраций на характеристики излучения аберрационного резонатора от мощности накачки. Найдены параметры резонатора наиболее эффективные для адаптивного управления.

. В главе 3 описывается автоматизированная установка с тремя гибкими зеркалами и резонатором специальной конфигурации. Такая установка позволяет осуществлять коррекцию гибкими. зеркалами в различных комбинациях без изменения общей конфигурации

интенсивность

••••iiiiii

..........11111111?

.....11111

К I

oí

I

интенсивности в 2.3 раза, а внерезонаторная адаптация дополнительно увеличивает интенсивность на оси пучка в 2.2 раза.

Влияние шумов и явления гистерезиса приводит к различию максимальных значений критерия в разных реализациях. Для уменьшения гистерезиса в автоматическом режиме на привод последовательно подавалось напряжение разных знаков с уменьшающейся амплитудой.

Далее рассматривается теоретическая модель фокусиривки излучения обладающего аберрациями дефокусировки и астигматизма.

В результате такого рассмотрения делается вывод, что целесообразнее деформировать поверхность зеркала в процессе настройки не по функциям вида (х2+ у2) и (х2- у2), а по х2 и у2.

В результате экспериментальной реализации такого подхода общая мощность увеличилась в 3.6 раза, а интенсивность на оси пучка в 53 раза (рис.4). Последовательность работы, зеркал организовывалась таким образом чтобы вначале получить "хорошее" излучение большой мощности за счет коррекции внутри резонатора, а затем, компенсируя аберрации только внешним зеркалом, повысить интенсивность на оси пучка. Данный, способ так же позволяет уменьшить время настройки в ~3 раза по сравнению с обратным порядком режима работы зеркал.

Следующий эксперимент позволял оценить эффективность различных критериев управления для выходного зеркала резонатора. В случае, если таким критерием ^влялась общая мощность излучения, наблюдалось увеличение конечного значения общей

коррекции фазы по методу апертурного зондирования и системы управления зеркалами.

2. Исследовались различные критерии управления и итерационные алгоритмы оптимизации расходимости и мощности излучения лазера. В условиях высокого уровня шумов в каналах регистрации наилучшую устойчивость при приемлемой скорости настройки показал метод покоординатного спуска. Оптимальными критериями настройки для внутрирезонаторной коррекции оказалась общая мощность излучения, а для внерезонаторной - плотность мощности излучения на оси пучка.

3. В результате анализа теоретической модели фокусировки аберрационного пучка сДелан вывод, что гибкое зеркало эффективнее деформировать в процессе насторйки не по функциям дефокусировки и астигматизма, а по функциям вида х2, у2. Получено экспериментальное подтверждение этого вывода: в результате совместной коррекции выходным и внешним гибким зеркалом улучшилась сходимость алгоритма настройки, общая мощность излучения увеличилась в 3.6 раза, а интенсивность на оси пучка возрасла в 53 раза.

4. Исследован процесс адаптации в различных условиях:

- при быстром увеличении термоаберраций АЭ общая мощность излучения уменьшалась в 1.4 раза, интенсивность в 3.1 раза. Система за 900 шагов восстанавливала прежнее значение общей мощности и увеличивала интенсивность в 2.9 раза;

- в случае измейенйя модового состава излучения при переходе от

зеркала резонатора образуют два внутрирезонаторных телескопа. Определены зоны устойчивости и влияние термоаберраций на характеристики излучения резонатора от мощности накачки. Найдены наиболее эффективные для адаптивного управления параметры такого резонатора.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. В.И.Полежаев, В.И.Шмальгаузен. Внутрирезонаторная коррекция фазовых искажений твердотельного лазера. Доклад на конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве", Шатура, (1989).

2. М.А.Воронцов, А.В.Корябин, В.И.Полежаев, В.И.Шмальгаузен. Твердотельный лазер на ортоалюминате с управляемым внутри-резонаторным зеркалом. Сборник материалов Всесоюзной конференции "Физика и применение твердотельных лазеров 1990", стр.44.

3. М.А.Воронцов, А.В.Корябин, В.И.Полежаев, В.И.Шмальгаузен. Экспериментальное исследование внутрирезонаторной коррекции термооптических искажений лазера на ортоаюминате с помощью зеркал с управляемой формой поверхности. Препринт 10 МГУ Физический факультет (1990).

4. М.А.Воронцов, А.В.Корябин, В.И.Полежаев, В.И.Мяальгаузен. "Твердотельный лазер на ортоалюминате с управляемым внутрирезонаторным зеркалом". //Сб. материалов всес.конференции "Физика и применение твердотельных лазеров",16-17 апр, 1990, М. :ФИАН СССР, 1.990, - с.44-45.