Волоконно-оптические источники ультракоротких лазерных импульсов, перестраиваемых в ближнем инфракрасном диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

4849632

На правах рукописи

АНДРИАНОВ Алексей Вячеславович

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ источники УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ, ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ В БЛИЖНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ

01.04.21 -лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

9 ИЮН 2011

Нижний Новгород - 2011

4849632

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель:

чл.-кор. РАН, д.ф.-м.н. Сергеев A.M.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор П.Г. Крюков доктор физико-математических наук, профессор Е.М. Громов

Ведущая организация: Международный учебно-научный лазерный центр

Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «1(у » 2011 г. в Ц'.ОО на заседании диссер-

тационного совета Д 002.069.02 в Учреждении Российской академии наук Институте прикладной физики (603950, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан « /3 » yA^-Ci^ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

профессор

Ю.В. Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Бурное развитие волоконных лазерных систем в последние десятилетия определяет все большее их распространение в различных областях науки и технологий от медицинских и промышленных применений до сверхточных измерений. Широкий спектр приложений волоконных фемтосекундных лазеров обусловлен рядом таких их свойств, как компактность, высокая надежность, стабильность выходного излучения и отсутствие необходимости настройки в процессе работы. Эти свойства волоконно-оптических лазеров определяются, в первую очередь, их полностью волоконным исполнением, а также наличием высокостабилизиро-ванной диодной накачки. Несколько уступая по энергетическим характеристикам современным твердотельным лазерам, волоконные лазеры имеют значительные преимущества в частоте повторения импульсов (свыше 10 ГГц) и долговременной стабильности частоты (-0.01 Гц). В последнее время волоконные лазеры все в большей степени способны решать и такие актуальные задачи современной лазерной физики, как генерация ультракоротких, в том числе и предельно коротких, оптических импульсов в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах, где традиционно применяются твердотельные лазеры [1]. Использование волоконных нелинейно-оптических методов открывает уникальные возможности для управления параметрами лазерного излучения, в частности, позволяет реализовать перестройку излучения в сверхшироком диапазоне частот, сверхуширение спектра, а также сжатие импульса до предельно короткой длительности.

При использовании традиционного метода лазерной генерации оптического излучения диапазон перестройки длины волны имеет фундаментальное ограничение, обусловленное шириной полосы активных сред. Доступный диапазон длин волн фемтосекундного излучения может быть до некоторой степени расширен с помощью подходов нелинейной оптики, основанных на использовании нелинейного смешения частот волн, генерации новых спектральных компонент в процессах вынужденного рассеяния, а также при параметрических процессах, в которых возможно реализовать плавную перестройку частоты излучения. В волоконных системах перестраиваемое по частоте фемтосекундное излучение может быть получено как в процессе генерации суперконтинуума, так и с помощью рамановской перестройки длины волны солитонных импульсов в нелинейных волокнах с аномальной дисперсией групповых скоростей [2,3]. В этом отношении интересным представляется использование кварцевых световодов с уменьшающейся по длине аномальной дисперсией (DDF, dispersion-decreasing fiber), которые, как и стандартные световоды, могут быть легко включены в состав полностью волоконных систем, но предоставляют дополнительные возможности для управления параметрами импульса. До настоящего времени такие световоды использовались для сжатия импульсов и генерации суперконтинуума [4-8].

Проблема генерации предельно коротких лазерных импульсов длительностью вплоть до периода оптического колебания продолжает привлекать к себе пристальное внимание широких кругов исследователей. В последние годы проявляется устойчивый интерес к генерации таких сверхкоротких импульсов с помощью оптических систем в волоконном исполнении, где уже достигнуты определенные успехи и продемонстрирована генерация импульсов с малым числом периодов оптического поля [9-12]. Волоконные системы, генерирующие ультракороткие, в том числе и предельно короткие, оптические импульсы были использованы для таких приложений, как спектроскопия с высоким временным разрешением и многофотонная микроскопия [13], генерация и детектирование терагерцового излучения [14,15], возбуждение наноразмерных нелинейных структур [16]. Для этих и многих других приложений весьма важным является не просто получение предельно коротких импульсов на фиксированной длине волны, но и возможность их частотной перестройки. Таким образом, актуальной является задача построения полностью волоконного источника предельно коротких импульсов с возможностью перестройки центральной длины волны их спектра.

Не менее актуальной проблемой современной нелинейной оптики является генерация излучения с высокой пиковой интенсивностью и малой длительностью, которое также может быть получено с помощью волоконных систем. Последние достижения в разработке итгербиевых волоконных систем демонстрируют продвижение в область достаточно высокой энергии и малой длительности импульса, а соответственно, большой интенсивности, достаточной для изучения процессов взаимодействия сверхсильных лазерных полей с веществом, таких как генерация высоких гармоник и атгосекундных импульсов [17,18]. Тем не менее, несмотря на хорошую проработку итгербиевых усилителей, позволяющих достичь высокого уровня энергии и средней мощности, в силу отсутствия стандартных волокон с аномальной дисперсией в области 1 мкм, генерация коротких фемтосекундных импульсов в этом диапазоне в полностью волоконных системах является достаточно сложной и актуальной задачей.

Целью настоящей работы являются разработка и изучение перестраиваемых волоконных источников ультракоротких импульсов, включая

1. разработку и экспериментальную реализацию методов плавной перестройки фемтосекундных импульсов в области длин волн 1.5-2 мкм в полностью волоконной системе на основе волокон с уменьшающейся по длине дисперсией групповых скоростей,

2. экспериментальное и теоретическое исследование возможностей уши-рения спектра и сжатия перестраиваемого по длине волны импульса до предельно короткой длительности,

3. исследование нелинейного полностью волоконного преобразования излучения эрбиевого волоконного лазерного источника на длине волны 1.56 мкм в диапазон 1 мкм и разработку на этой базе двухдиапазонной

оптически синхронизированной эрбиево-итгербиевой системы для генерации мощных фемтосекундных импульсов.

Новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые предложено использовать световоды с плавно уменьшающейся по длине дисперсией (DDF) для широкополосной перестройки центральной длины волны солитонного импульса. На основе световода DDF создана компактная полностью волоконная лазерная система, позволяющая генерировать солитонные импульсы, плавно перестраиваемые в диапазоне длин волн от 1.6-2.2 мкм.

2. Найдено семейство квазисолитонных импульсов, распространяющихся с сохранением формы и длительности при непрерывном уменьшении несущей частоты в световодах с плавно уменьшающейся по длине дисперсией.

3. На основе полностью волоконной эрбиевой системы предложена и экспериментально реализована новая схема создания оптических импульсов предельно короткой длительности с малым числом периодов оптического поля с плавно перестраиваемой центральной длиной волны в диапазоне 1.7-2.0 мкм.

4. Предложена и экспериментально реализована новая полностью волоконная схема создания оптически синхронизированных фемтосекундных импульсов на двух сильно различающихся длинах волн (1-1.1 мкм и 1.6-1.8 мкм) в ближнем инфракрасном диапазоне на базе эрбиевого волоконного лазера и кварцевого световода со смещенной точкой нулевой дисперсии.

На защиту выносятся следующие основные положения

1. Полностью волоконная система на базе световода с уменьшающейся по длине аномальной дисперсией (DDF - dispersion-decreasing fiber) осуществляет плавную перестройку центральной длины волны солитонного импульса в широком диапазоне 1.5-2.2 мкм за счет совместного действия эффектов адиабатического сжатия солитона в DDF и вынужденного рамановского рассеяния.

2. В световоде с плавно уменьшающейся по длине дисперсией могут распространяться устойчивые квазисолитонные импульсы, у которых отстройка центральной частоты от точки нуля дисперсии и длительность зависят только от их энергии.

3. Полностью волоконная система, состоящая из эрбиевого задающего лазера с синхронизацией мод, волоконного усилителя с диодной накачкой, световода с плавно уменьшающейся дисперсией, высоконелинейного световода с нормальной дисперсией и линейного волоконного компрессора, способна генерировать предельно короткие импульсы,

содержащие 4 периода колебаний поля, перестраиваемые по длине волны в диапазоне 1.7-2 мкм. 4. В полностью волоконной гибридной эрбиево-иттербиевой системе фемтосекундные импульсы высокого качества в диапазоне длин волн 1-1.1 мкм могут быть получены с помощью нелинейного преобразования излучения эрбиевого задающего лазера в кварцевом волокне со смещенной дисперсией, и могут быть далее усилены в мощном иттер-биевом усилителе до уровня энергии 100 нДж.

Научное и практическое значение

1. Созданы компактные волоконные лазерные системы, позволяющие генерировать перестраиваемые в диапазоне 1.6-2.2 мкм высококачественные фемтосекундные импульсы, которые могут найти применения для таких научных, биомедицинских и технических приложений, как нелинейная спектроскопия и микроскопия, телекоммуникации и генерация терагерцового излучения, наномодификация материалов.

2. Развитые в диссертации методы плавной высокоэффективной перестройки длины волны импульса в световодах с переменной дисперсией могут быть положены в основу создания источника фемтосекундных импульсов в среднем инфракрасном диапазоне до длины волны 4-5 мкм с использованием прозрачных в этом диапазоне волокон переменного диаметра из стекол специального состава.

3. Создана мощная двухдиапазонная волоконная система, генерирующая импульсы в диапазонах 1-1.1 мкм и 1.6-1.8 мкм, которая может быть использована как задающий источник оптически синхронизированных импульсов для каналов накачки и сигнала мощных параметрических усилителей света, а также в экспериментах типа "накачка-зондирование".

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием экспериментальных результатов с численными расчетами и приближенными аналитическими оценками. По первой главе - измеренные в эксперименте спектры и автокорреляционные функции перестраиваемых по длине волны солитонов в световоде DDF, а также зависимости длины волны и длительности солитонов от энергии согласуются с результатами численного моделирования и аналитическими оценками. По второй главе - имеется согласие измеренного спектра суперконтинуума и восстановленной из автокорреляционных измерений формой импульса с результатами численного моделирования. По третьей главе — имеется соответствие картины эволюции спектра мощного фемтосекундного импульса в световоде со смещенной дисперсией с численным моделированием. Также имеется согласие измеренного положения спектрального пика излучения линейных дисперсионных волн с расчетным значением, полученным из условия фазового синхронизма.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на российских и международных научных конференциях International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT 2007, Minsk, Belarus), International Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/Europe-IQEC (Munich, Germany, 2007), Всероссийской конференции по волоконной оптике (Пермь, 2007 г.), Российском семинаре по волоконным лазерам (Новосибирск, 2007 г.), International Conference on Laser Optics (St. Petersburg, 2008), International Conference Photonics West (San Jose, California USA, 2008), 4th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and Their Applications (St. Petersburg, 2008), International Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/Europe-EQEC (Munich, Germany, 2009 - приглашенный доклад), 26th Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2009, Moscow), IX Международном симпозиуме по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС 2009, Казань), семинарах ИПФ РАН, семинарах университета г. Ноттингем и Университета Астон (Великобритания). Результаты, полученные в ходе выполнения работы, вошли в Отчет РАН за 2006 г.

По теме диссертации опубликовано 18 работ, из которых 5 статей в реферируемых научных журналах, 3 статьи в сборниках трудов и 10 тезисов докладов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и трех приложений. Общий объем диссертации 156 страниц, включая 51 рисунок. Библиография включает 130 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, изложена структура диссертации, приведены выносимые на защиту положения.

В первой главе, посвященной изучению нелинейной динамики фемтосе-кундных импульсов в световодах с уменьшающейся по длине дисперсией (DDF), теоретически и экспериментально исследуется возможность использования таких волокон для сверхширокополосной перестройки длины волны фемтосекундных импульсов и для их компрессии.

В начале главы приводятся основные уравнения, используемые для теоретического описания распространения ультракоротких импульсов в одномо-довых волоконных световодах. От полного волнового уравнения делается переход к уравнению однонаправленного распространения импульса в приближении малости отраженного сигнала, распространяющегося навстречу основному. Далее производится переход к обобщенному (модифицированному) нелинейному уравнению Шредингера (ОНУШ) [19] для огибающей поля A(z,t)

dz ч a

A(z,t) = iy

1+-

щд1

l

A(z,t)\R{t-?)\A(z/)\2 dt

,(1)

200

190-

180-

где co0 - несущая (оптическая) частота, у - коэффициент нелинейности световода, R(t) - полная функция нелинейного отклика (сумма мгновенной электронной и задержанной (рамановской) составляющих). Дисперсия волокна

описывается оператором Д который в частотном представлении есть не что иное, как локальная постоянная распространения fS(z,co), плавно зависящая от координаты z вдоль трассы распространения.

В численном моделировании обнаружено, что в световоде DDF, где точка нулевой дисперсии плавно смещается в длинноволновую область, возможно распространение квазисо-литонных импульсов, у которых приближенно сохраняется форма огибающей, длительность и энергия, а центральная частота плавно уменьшается так, что спектр импульса всегда находится в области аномальной дисперсии (рис. 1). Импульс представляет собой возмущенный фундаментальный солитон нелинейного уравнения Шредингера и имеет форму, близкую к гиперболическому секансу.

На основе аналитической модели, построенной в предположении, что скорость рамановского частотного сдвига солитонного импульса, при его распространении равна скорости движения точек нулевой дисперсии в частотном пространстве, получены аналитические выражения для длительности Ти частотной отстройки солитона Q (в неявном виде):

Ез 170

160

150

10 20 30 40 50 60 70 Трасса распространения (м)

Рис. 1. Эволюция импульса, запущенного в область аномальной дисперсии в DDF, к частотносмещаемому квазисо-литону, движущемуся по линии постоянной дисперсии.

т =

30

,2/3

15

TRyW

1/3

,JB2(Z,Q) = ~

TRr*w< 305

xl/3

(2)

Здесь p2(z, Q) - зависимость коэффициента дисперсии второго порядка DDF от частоты и координаты вдоль световода, s=-dco,/dz (где p2(z,a>Q)=const) -скорость движения точек постоянной дисперсии в частотном пространстве, 7д -характерное время рамановского отклика, W— энергия солитона.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования световода DDF.

Численное моделирование показывает, что исходный импульс достаточной мощности эволюционирует к одному или нескольким квазисолитонным импульсам, параметры которых определяются выражениями (2) и зависят только от энергии квазисолитонов. Таким образом, можно говорить об одно-параметрическом (параметр W) семействе частотносмещаемых квазисолитонов в DDF, найденных в данной работе. Показано, что режим распространения квазисолитонного импульса в DDF является самостабилизирующимся, и при наличии не слишком сильных возмущений импульс теряет энергию за счет излучения линейных волн, но не разрушается, а лишь переходит на линии с меньшим по абсолютной величине значением аномальной дисперсии.

Важно отметить, что длительность частотносмещаемого солитона уменьшается с уменьшением его энергии. Это связано с тем, что отстройка солитона с малой энергией от частоты нулевой дисперсии мала, и импульс распространяется по линии малой дисперсии. В работе найдены ограничения на минимальную длительность и соответствующую минимальную энергию квази-солитона, связанные с влиянием эффектов высших порядков, в частности, дисперсии третьего порядка.

Численное моделирование выявило пороговую природу эффекта формирования квазисолитонов в DDF. В настоящей работе получены приближенные пороговые условия, определяющие область параметров входного импульса, при которых возможно формирование квазисолитона в DDF.

Далее, в работе рассматривается обобщение модели квазисолитонного импульса на случай его перестройки в сверхшироком диапазоне, сравнимом с несущей частотой, что требует учета зависимости коэффициента нелинейности от частоты, а также учета уменьшения энергии импульса при приближенном сохранении числа фотонов импульса. На основе построенных аналитических моделей получены приближенные выражения для отстройки частоты, темп которой замедляется по мере распространения импульса, максимального сдвига частоты и максимальной трассы распространения импульса. Предложен оптимизированный профиль уменьшения диаметра световода DDF, который позволяет достичь большей перестройки частоты и меньших потерь энергии импульса.

Основные особенности распространения фемтосекундных квазисолитон-ных импульсов в световодах DDF были исследованы экспериментально в схеме, показанной на рис. 2. Источником световых импульсов служил за-

дающий генератор — эрбиевый волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод на высокой гармонике кольцевого резонатора, сигнал с которого далее усиливался в эрбиевом волоконном усилителе с диодной накачкой и через регулируемый аттенюатор поступал в световод DDF. На входе в DDF импульсы имели длительность около 230 фс, максимальную среднюю мощность 165 мВт при частоте повторения 630 МГц. Сигнал на выходе DDF анализировался с помощью спектрометра, автокоррелятора и измерителя мощности. Эксперименты были проведены с разработанным в НЦВО РАН световодом DDF длиной 36 м, диаметр которого изменялся от 140 до 114 мкм, закон изменения диаметра соответствовал равномерному смещению точки нуля дисперсии в диапазоне 1.4-1.65 мкм, нелинейность составляла ~5 Вт'км"1.

Было установлено, что существует порог по энергии импульса (около 0.05 нДж), при превышении которого на выходе световода формируется импульс на смещенной частоте, который соответствует спектрально-ограниченному квазисолитону, что было подтверждено автокорреляционными измерениями. Зависимости длительности квазисолитона и сдвига его частоты от энергии, полученные в эксперименте, хорошо согласовывались с результатами численного моделирования, а также находились в соответствии с аналитическими оценками. Спектр квазисолитонного импульса в DDF перестраивался в диапазоне 1.6-2.1 мкм (рис. 3), минимальная длительность импульса, оцененная по автокорреляционным измерениям, составила 50 фс.

Далее в работе исследуется вопрос о возможности увеличения энергии импульса в полностью волоконной перестраиваемой системе на основе DDF. Для достижения большей энергии необходим, во-первых, более мощный источник исходных импульсов, а во-вторых, для сдвига длины волны должен использоваться специальный световод DDF, поддерживающий распространение частотнос-мещаемых солитонов с высокой энергией. На основе анализа выражений, связывающих параметры квазисоли-тонов, были сформулированы требования к световоду DDF для перестройки мощных импульсов, и, исходя из этих требований, был разработан и изготовлен короткий световод с небольшой нелинейностью, диаметр которого изменялся от 160 до 80 мкм на длине около 1.3 м. С этими световодом и с модернизированным более мощным эрбиевым источником, работающем на частоте

Длина вопны (нм)

Рис. 3. Измеренные (сплошные кривые) и рассчитанные численно (пунктирные кривые) спектры сигнала на выходе DDF при различной энергии импульса.

повторения 49 МГц, в эксперименте была достигнута перестройка импульса в диапазоне 1.56-2.2 мкм при минимальной длительности 45 фс, максимальной энергии 1.7 нДж и средней мощности 85 мВт.

Интересной особенностью процесса перестройки мощных солитонов в световоде DDF являлась генерация видимого излучения, которое выходило как с торца световода, так и через оболочку со всей его поверхности, при этом цвет излучения менялся от сине-зеленого на входном участке световода до темно-красного на выходе. Это излучение возникало в результате генерации третьей гармоники мощным квазисолитоном, распространяющимся в DDF с плавным смещением частоты, что подтверждалось соответствием частоты спектральных пиков видимого излучения и утроенной центральной частоты квазисолитонов.

Вторая глава посвящена разработке полностью волоконной схемы получения предельно коротких импульсов, центральная длина волны которых может перестраиваться в достаточно широком диапазоне.

Эрбиевый фемтосекундный лазер

Нелинейный световод с нормальной дисперсией

Дисперсионный компрессор

Световод с

уменьшающейся

дисперсией (DDF)

/ I

Диагностика

Перестраиваемые частотно-модулированные Предельно короткие сопитоны импульсы импульсы

Рис. 4. Волоконная схема получения предельно коротких импульсов с перестраиваемой центральной длиной волны.

В начале главы описана предлагаемая схема получения предельно коротких импульсов с перестраиваемой центральной длиной волны, показанная на рис. 4. Она состоит из источника фемтосекундных импульсов на фиксированной длине волны (задающего осциллятора и усилителя), световода с уменьшающейся дисперсией DDF, кварцевого нелинейного световода с малой нормальной дисперсией для контролируемого сверхуши-рения спектра (генерации континуума) и финального дисперсионного компрессора (волокна с малой нелинейностью или объемного элемента с аномальной дисперсией). Важной особенностью предлагаемой схемы является использование световода

1600 1800 2000 2200 Длина волны (нм)

Рис. 5. Спектры континуума на выходе нелинейного волокна (сплошные кривые) при различной энергии исходных солитонов (спектры солитонов - пунктирные кривые), результаты численного моделирования генерации континуума (точечные кривые).

(а)

DDF на первом этапе нелинейного преобразования, что дает возможность стартовать при генерации континуума с высококачественного достаточно короткого импульса и позволяет реализовать широкополосную перестройку центральной длины волны результирующего предельно короткого импульса. В качестве световода для уширения спектра применялось кварцевое нелинейное волокно длиной 0.9 метра, вытянутое из заготовки, которая была использована для DFF, но с меньшим диаметром, за счет чего световод имел малую нормальную дисперсию (fl2~ 4 пс2/км) до длины волны 2.2 мкм.

Измерения в экспериментальной схеме проводились с помощью широкополосного спектрометра и специального автокоррелятора, способного измерять импульсы минимальной длительностью 10 фс. На основе измеренных спектров суперконтинуума после световода с нормальной дисперсией (рис. 5) показано, что происходит почти симметричное спектральное уширение исходного импульса, кроме того, спектр суперконтинуума перестраивается как целое вместе с перестройкой длины волны солитона, использованного для накачки. Для компенсации нелинейной фазовой самомодуляции и сжатия импульса был выбран отрезок стандартного световода SMF-28, длина которого подбиралась экспериментально по минимальной длительности импульса и составила 2 см.

Для выяснения формы и фазы сжатого импульса применялась методика, использующая автокорреляционную функцию (АКФ) и измеренный спектр импульса, и сочетающая итерационный алгоритм, предложенный в работе [20], и алгоритм прямой минимизации разницы АКФ измеренного и восстановленного импульсов. АКФ наиболее короткого импульса и восстановленные профили интенсивности и фазы показаны на рис. 6. Длительность импульса по половине от максимальной интенсивности составила 24.5 фс, что на его центральной длине волны .9 мкм соответствует предельно короткому импульсу, содержащему четыре периода колебаний поля. При изменении длины волны солитонного импульса на выходе DDF (и соответствующем изменении его энергии) центральная длина волны континуума и предельно короткого импульса также изменялись в диапазоне 1.7-2.0 мкм, при этом длительность оставалась в пределах 35 фс.

5.4 <2-

--

~Г -100

Время (фс)

~Г

О 40

Время (фс)

Рис. 6. Автокорреляционная функция предельно короткого импульса (а). Восстановленные (б, сплошные кривые) и рассчитанные (б, пунктирные кривые) интенсивность и фаза импульса

Далее, для выяснения соответствия результатов измерений теоретической картине было проведено численное моделирование сверхуширения спектра в световоде с нормальной дисперсией и последующего сжатия в дисперсионном компрессоре. Рассчитанные на основе ОНУШ спектры континуума, профиль интенсивности и фазы показаны на рис. 5, 6 и находятся в хорошем соответствии с результатами измерений. Возможность использования обобщенного уравнения Шредингера для огибающей при исследовании сжатия импульсов, содержащих лишь небольшое число осцилляций поля, была проверена при сравнении результатов численного моделирования на основе ОНУШ и однонаправленного волнового уравнения, записанного непосредственно для электрического поля импульса. Сравнение показало практически идеальное соответствие результатов расчетов обоими методами, за исключением незначительных отличий, связанных с генерацией третьей гармоники.

Третья глава посвящена исследованию возможностей перестройки длины волны фемтосекундного излучения в коротковолновую область и построению гибридной эрбиево-иттербиевой волоконной системы, генерирующей мощные фемтосекундные импульсы 100 нДж уровня энергии на длине волны около 1 мкм.

Эрбиевый фемтосекундный волоконный лазер 49 МГц, 1.56 мкм

-j^- Диодная накачка

1 мкм

Рис. 7. Схема мощной эрбиево-иттербиевой волоконной системы.

Схема построения эрбиево-иттербиевой лазерной системы, показанная на рис. 7, включает задающий источник на длине волны 1.56 мкм, волоконный преобразователь фемтосекундного излучения в область длин волн около 1 мкм, и двухкаскадный иттербиевый усилитель с компрессором на дифракционных решетках.

В ходе работы была проведена оптимизация задающего лазера, работающего с низкой частотой повторения на основной гармонике резонатора, и усилителя для достижения высокой энергии исходного импульса. В оптимизированной схеме получены импульсы длительностью 70 фс с энергией 2.7 нДж на длине волны 1.6 мкм.

Для преобразования длины волны фемтосекундного импульса в диапазон усиления иттербиевых волокон около 1 мкм используется специальный нелинейный световод, в котором точка нуля дисперсии смещена в область длин волн 1.4-1.5 мкм (DSF, dispersion-shifted fiber - световод со смещенной дисперсией). В этом волокне происходит сильное уширение спектра как в об-

ласть низких, так и высоких частот, причем за счет специального выбора дисперсионной кривой волокна эффективность генерации высокочастотных компонент в некоторой полосе, определяемой условиями синхронизма, может быть существенно повышена. В эксперименте были использованы короткие отрезки (менее 15 см) кварцевого волокна, в котором точка нулевой дисперсии расположена на длине волны 1.4 мкм (рис. 8в), нелинейность этого световода составляет величину порядка 2.5 Вт"'км"1. На измеренном выходном спектре (рис. 8а) хорошо виден пик на длине волны около 1.06 мкм, который соответствует импульсу длительностью 55 фс (рис. 8г), кроме того, присутствует широкое крыло, простирающееся от 1.3 мкм до 1.9 мкм, с изрезанным пиком на длине волны исходного импульса и локальным гладким максимумом на длине волны 1.75 мкм, который соответствует формирующемуся в области аномальной дисперсии солитону. Таким образом, в волокне DSF генерируются два синхронизированных фемтосекундных импульса на сильно различающихся длинах волн.

Механизм генерации высокочастотного излучения исследовался с помощью численного моделирования, которое показывает, что на начальной стадии распространения происходит постепенное ушире-ние спектра и сжатие импульса во времени, которое может быть ассоциировано с начальным этапом динамики солито-на высокого порядка (N~3). До начала процесса распада импульса на несколько солитонов спектр уширяется настолько, что существенная часть его высокочастотного крыла попадает в область нормальной дисперсии и становится источником цуга линейных дисперсионных волн [21]. Эффективная генерация линейных волн около частоты o)HF происходит при выполнении условия синхронизма [22]

А (3)

2 доз

где Р(а>) - зависимость постоянной распространения от частоты, ms - центральная частота формирующегося солитона, Р - его пиковая мощность.

Экспериментально и численно было показано, что центральная частота генерируемого цуга линейных волн находится в соответствии с условием (3) и может быть подстроена в небольших пределах при изменении энергии

Рис. 8. Спектр сигнала на выходе световода DSF (а), увеличенный участок спектра около 1 мкм (б), коэффициент квадратичной дисперсии DSF (в) и АКФ импульса на длине волны 1 мкм (г).

входного импульса. В более широких пределах спектральный диапазон излучаемых линейных дисперсионных волн может быть смещен как целое при выборе световода с другой дисперсионной характеристикой, а именно, положением длины волны нулевой дисперсии.

Энергия фемтосекундного импульса, генерируемого в световоде со смещенной дисперсией в диапазоне 1.0-1.1 мкм, который предварительно растягивался до длительности -2 пс при пропускании через отрезок одномодового световода, увеличивалась в двухкаскадном усилителе на основе активных волокон, допированных иттербием. Первый каскад усиления (предусилитель) был выполнен на 30 сантиметровом отрезке итгербиевого волокна с диаметром моды 6 мкм и накачкой в сердцевину лазерным диодом мощностью 600 мВт. Автокорреляционные измерения показали, что длительность импульса после его сжатия в компрессоре на двух отражательных решетках составляла 85 фс при энергии 4 нДж.

Для демонстрации возможности дальнейшего увеличения мощности и энергии импульса к выходу предусили-теля был пристыкован мощный усилитель, выполненный на 5 метрах итгербиевого волокна с двойной оболочкой и размером моды 14 мкм, накачиваемого многомодовым лазерным диодом. При максимальной мощности накачки выходной спектр заметно искажался (рис. 9), а на АКФ скомпрессированного импульса появлялся протяженный пьедестал. При этом центральная часть импульса могла быть сжата до длительности 130-180 фс при различных настройках компрессора. Максимальная мощность сигнала после компрессора составила 4.8 Вт, что соответствует энергии импульса 100 нДж.

В Заключении сформулированы результаты, полученные в настоящей работе.

Основные результаты диссертации

1. Показано, что совместное действие эффектов адиабатического сжатия солитона в световоде с уменьшающейся по длине аномальной дисперсией (DDF) и вынужденного рамановского рассеяния позволяет с высокой эффективностью осуществлять плавную перестройку центральной длины волны солитонного импульса в широком диапазоне. На основе световода DDF создана компактная полностью волоконная лазерная система, позволяющая генерировать солитонные импульсы длительностью менее 50 фс, плавно перестраиваемые в диапазоне длин волн 1.6-2.2 мкм.

1020 1040 1060 1080 1100 Длине волны (им)

Рис. 9. Спектры сигнала после мощного усилителя при различных уровнях выходной мощности.

2. Обнаружено и исследовано численно и аналитически семейство перестраиваемых по частоте квазисолитонов, распространяющихся в световоде с плавно уменьшающейся по длине аномальной дисперсией. Показано, что длительность и частотная отстройка квазисолитона от точки нулевой дисперсии уменьшаются при уменьшении энергии импульса, получены ограничения на минимальную длительность и энергию квазисолитона. Исследованы сценарии эволюции ультракоротких импульсов в DDF и выявлены условия формирования квазисолитонов. Основные свойства квазисолитонов и соотношения их параметров находятся в хорошем соответствии с экспериментальными результатами.

3. Предложена и экспериментально реализована новая схема создания оптических импульсов предельно короткой длительности с плавно перестраиваемой длиной волны на основе полностью волоконной эрбиевой системы, включающая три этапа последовательного преобразования оптического сигнала: перестройку частоты солитонного импульса в DDF, уширение спектра при генерации суперконтинуума в сильнонелинейном кварцевом волокне с нормальной дисперсией и последующую компрессию импульса в линейном световоде. Экспериментально продемонстрирована генерация суперконтинуума, перестраиваемого в диапазоне длин волн 1.7-2.0 мкм и сжатие импульса до длительности 24.5 фс на центральной длине волны 1.85 мкм, что соответствует четырем периодам оптических колебаний. Продемонстрировано соответствие спектра и формы импульса, полученных в эксперименте, с результатами численных расчетов на основе обобщенного нелинейного уравнения Шредингера и однонаправленного волнового уравнения.

4. Предложена новая схема построения полностью волоконного источника синхронизированных фемтосекундных импульсов на двух сильно различающихся длинах волн в ближнем ИК диапазоне на основе эрбиевого задающего лазера и кварцевого световода со смещенной дисперсией (DSF). Схема основана на эффектах сверхуширения спектра и синхронного взаимодействия цуга коротковолновых дисперсионных волн и длинноволнового солитона, расположенных по разные стороны от длины волны нулевой дисперсии в нелинейном световоде со смещенной дисперсией.

5. Построена полностью волоконная эрбиево-иттербиевая система, реализующая генерацию синхронизированных импульсов на длинах волн около 1 мкм и 1.6-1.8 мкм. Экспериментально получена генерация импульсов длительностью 55 фс на длине волны 1.06 мкм, синхронизированных с исходными импульсами эрбиевого задающего осциллятора. Продемонстрировано усиление коротковолновых импульсов в иттербиевом волоконном усилителе до энергии 4 нДж при длительности 85 фс, и до энергии 100 нДж при длительности менее 180 фс.

Литература

1. Fermann М.Е., Galvanauskas A., Sucha G. Ultrafast lasers: Technology and applications. CRC Press, 2003. «00 pp. ISBN: 0824743490.

2. Дианов E.M., Карасик А.Я., Мамышев П.В. и др. ВКР-преобразование многосолитонных импульсов в кварцевых волоконных световодах // Письма в ЖЭТФ. 1985. Т. 41, С. 242-244.

3. Nishizawa N., Goto Т. Widely wavelength-tunable ultrashort pulse generation using polarization maintaining optical fibers // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2002. Vol. 7, no. 4. Pp. 518-524.

4. Chernikov S., Dianov E., Richardson D., Payne D. Soliton pulse compression in dispersion-decreasing fiber// Optics Letters. 1993. Vol. 18, no. 7. Pp. 476-478.

5. Pelusi M., Liu H. Higher order soliton pulse compression in dispersion-decreasing optical fibers// IEEE J. Quant. Electron. 2002. Vol. 33, Pp. 1430-1439.

6. TamuraK., NakazawaM. 54-fs, 10-GHz soliton generation from a polarization-maintaining dispersion-flattened dispersion-decreasing fiber pulse compressor // Optics Letters. 2001. Vol. 26, no. 11. Pp. 762-764.

7. Mori K., Takara H., Kawanishi S. et al. Flatly broadened supercontinuum spectrum generated in a dispersion decreasing fibre with convex dispersion profile // Electronics Letters. 2002. Vol. 33, no. 21. Pp. 1806-1808.

8. Okuno Т., Onishi M., Nishimura M. Generation of ultra-broad-band supercontinuum by dispersion-flattened and decreasing fiber // Photonics Technology Letters, IEEE. 2002. Vol. 10, no. 1. Pp. 72-74.

9. Igarashi K., Saito S., Nagai H. et al. Investigation on Sub-20 fs Fiber-soliton Compression Performance of Dispersion-Flattened Fibers// Japanese Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 43, no. 1. Pp. 132-136.

10. Hori Т., Nishizawa N., Goto T. Generation of 14-fs ultrashort pulse in all fiber scheme by use of highly nonlinear hybrid fiber // Ultrafast Phenomena XIV / Ed. by Castleman A., Okada Т., Kobayashi T. et al. Springer Berlin Heidelberg. Vol. 79 of Springer Series in Chemical Physics. Pp. 31-33.

11. Sell A., Krauss G., Scheu R. et al. 8-fs pulses from a compact Er: fiber system: quantitative modeling and experimental implementation // Optics Express. 2009. Vol. 17, no. 2. Pp. 1070-1077.

12. Krauss G., Lohss S., Hanke T. et al. Synthesis of a single cycle of light with compact erbium-doped fibre technology // Nature Photonics. 2009. Vol. 4, no. l.Pp. 33-36.

13. TrautleinD., AdlerF., MoutzourisK. etal. Highly versatile confocal microscopy system based on a tunable femtosecond Enfiber source // Journal of Biophotonics. 2008. Vol. 1, no. 1. Pp. 53-61.

14. Sell A., Scheu R., Leitenstorfer A., Huber R. Field-resolved detection of phase-locked infrared transients from a compact Enfiber system tunable between 55 and 107 THz// Applied Physics Letters. 2008. Vol. 93. P. 251107.

15. Takayanagi J., Kanamori S., Suizu K. et al. Generation and detection of broadband coherent terahertz radiation using 17-fs ultrashort pulse fiber laser// Optics Express. 2008. Vol. 16, no. 17. Pp. 12859-12865.

16. Hanke Т., Krauss G., Trautlein D. et al. Efficient nonlinear light emission of single gold optical antennas driven by few-cycle near-infrared pulses. // Physical Review Letters. 2009. Vol. 103, no. 25. P. 257404.

17. FermannM., Hartl I. Ultrafast fiber laser technology// IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2009. Vol. 15. Pp. 191-206.

18. J. BouIIet, Y.Zaouter, J.Limpert, S. Petit, etal. High-order harmonic generation at a megahertz-level repetition rate directly driven by an ytterbium-doped-fiber chirped-pulse amplification system // Optics Letters. 2009. Vol. 34. Pp. 1489-1491.

19. Агравал Г. П. Нелинейная волоконная оптика: Перевод с англ. С. В. Черникова и др., Под ред. П. В. Мамышева. М.: Мир, 1996. 323 с.

20. NaganumaK., MogiK., YamadaH. General method for ultrashort light pulse chirp measurement // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2002. Vol. 25, no. 6. Pp. 1225-1233.

21. AkhmedievN., KarlssonM. Cherenkov radiation emitted by solitons in optical fibers // Phys. Rev. A. 1995. Vol. 51. Pp. 2602-2607.

22. Austin D., de Sterke C., Eggleton В., Brown T. Dispersive wave blue-shift insupercontinuum generation//Opt. Express. 2006. Vol. 14. Pp. 11997-12007.

Основные публикации автора по теме диссертации:

1*. Андрианов А.В., КимА.В., Муравьев С.В., Сысолятин А.А. Генерация плавно перестраиваемых в широком частотном диапазоне оптических солитонных импульсов в кварцевых световодах с переменной дисперсией // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т.85, №8. С.446-451.

2*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Sysoliatin A.A. DDF based all-fiber optical source of femtosecond pulses smoothly tuned in the telecommunication range // Laser Physics. 2007. V. 11, N17. P.1296-1302.

3*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Sysoliatin A.A. Wavelength-tunable few-cycle optical pulses directly from an all fiber Er-doped laser setup // Optics Letters. 2009, Vol.34, No.20, pp.3193-3195

4*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Sysoliatin A.A. Widely wavelength-tunable few-cycle optical pulse generation from an all-fiber erbium-doped laser system //Laser Physics. 2009, Vol.19, No. 10, pp. 1-5.

5*. Andrianov A.V., Anashkina E.A., Muravyev S.V., Kim A.V. All-fiber design of hybrid Er-doped laser/Yb-doped amplifier system for high-power ultrashort pulse generation // Optics Letters. 2010. Vol. 35, no. 22. Pp. 3805-3807.

6*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Sysoliatin A.A. Generation of widely tunable optical solitons in the infrared range by using dispersion decreasing fibers // Proc. SPIE. 2007. V.6729, pp.67290X-l-8.

7*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Khopin V.F., Sysoliatin A.A. Widely tunable femtosecond fiber laser//Proc. SPIE. 2008. V.6873, pp.68730T-l-9.

8*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Sysoliatin A.A. Widely Wavelength-tunable Soliton Generation and Few-cycle Pulse Compression with the Use of Dispersion-decreasing Fiber // PIERS Online. 2009, Vol. 5 No. 5, pp.421-425.

9*. Андрианов A.B., Ким A.B., Муравьев C.B., Сысолятин А.А. Генерация широкоперестраиваемых оптических солитонов в инфракрасном диапазоне при использовании световодов с переменной дисперсией // Российский семинар по волоконным лазерам, Новосибирск, 4-6 апреля 2007 г.

10*. Андрианов А.В., КимА.В., Муравьев С.В., Сысолятин А.А. Волоконный источник фемтосекундных импульсов, перестраиваемый в диапазоне длин волн 1.5-2.1 мкм // Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 10-12 октября, 2007, доклад № В-8.

11*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Sysoliatin А.А. Generation of widely tunable optical solitons in the infrared range by using dispersion decreasing fibers // International Conference on Coherent and Nonlinear Optics / International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT 2007). Минск, Беларусь, 28 мая - 1 июня 2007 г.

12*. Sysoliatin А.А., Khopin V.F., Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V. Widely tunable femtosecond fiber laser // Photonics West 2008, 19-24 January 2008, San Jose, California USA, p. 146, paper 6873-28.

13*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Sysoliatin A.A. Generation of widely tunable optical solitons in the infrared range by using dispersion decreasing fibers // CLEO/Europe-IQEC 2007, Munich, Germany, p.75, paper CJ-14-TUE.

14*. Andrianov A.V., Kim A.V., Muraviov S.V., Sysoliatin A.A. Widely Tunable Ultrashort Pulses from a Totally Fiber Integrated Optical Source Using DDF //XIII-th Conf. on Laser Optics, St. Petersburg, June 22-28,2008, paper FrR5-p09.

15*. Andrianov A.V., Muravyev S.V., Kim A.V., Akhmetshin U.G., Bogatyr-jov V.A., Mashinsky V.M. Generation of ultrashort optical pulse tuned down to 2.4 jirn using Ge02-based core fiber // 4th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and Their Applications, St. Petersburg, June 24-26,2006, p. 3.

16*. Andrianov A.V., Muraviev S.V., Kim A.V., Sysoliatin A.A. Widely Wavelength-tunable Soliton Generation and Few-cycle Pulse Compression with the Use of Dispersion-decreasing Fiber // Progress In Electromagnetics Research Symposium, p. 51, Moscow, Russia, 18-21 August 2009.

17*. Andrianov A.V., Muraviev S.V., Kim A.V., Sysoliatin A.A. Wavelength-tunable Few-cycle Optical Pulse Generation from an All-fiber Erbium-doped Laser System// CLEO/Europe-EQEC 2009, invited CD10.1, Munich, Germany, 2009.

18*. Андрианов A.B., Муравьев C.B., Ким A.B. Полностью волоконный источник предельно коротких лазерных импульсов, перестраиваемых по длине волны в среднем инфракрасном диапазоне // IX Международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС'2009), Казань, Россия, 26-31 октября 2009 г.

АНДРИАНОВ Алексей Вячеславович

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ, ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ В БЛИЖНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ

Автореферат

Ответственный за выпуск А.В. Андрианов

Подписано к печати 27.04.2011 г. Формат 60*90'Лб- Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1Д5. Тираж 100 экз. Заказ № 43 (2011).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Введение.

Глава 1. Генерация перестраиваемых в широком диапазоне длин волн фемтосекундных солитонов в нелинейных световодах с уменьшающейся по длине дисперсией

1.1. Введение.

1.2. Основное уравнение распространения.

1.3. Распространение фемтосекундных импульсов в световодах с уменьшающейся дисперсией. Основные эффекты - адиабатическое сжатие солитона и рамановский самосдвиг частоты

1.4. Однопараметрическое семейство частотно смещаемых квазисо-литонов в световодах DDF.

1.5. Минимальная длительность квазисолитона.

1.6. Условия формирования частотносмещаемого квазисолитона

1.7. Перестройка солитона в сверхшироком диапазоне, сравнимом с несущей частотой.

1.8. Оптимальный профиль световода DDF для сверхширокополосной перестройки солитона.

1.9. Экспериментальное исследование

1.10. Возможности увеличения энергии перестраиваемой волоконной системы.

1.11. Генерация третьей гармоники перестраиваемым солитоном

1.12. Выводы к первой главе.

Глава 2. Генерация перестраиваемых по длине волны предельно коротких оптических импульсов на основе эрбиевой волоконной системы.

2.1. Введение.

2.2. Схема получения перестраиваемых по длине волны предельно коротких импульсов

2.3. Выбор световода для генерации континуума.

2.4. Генерация перестраиваемого по длине волны суперконтинуума в световоде с нормальной дисперсией.

2.5. Сжатие короткого импульса и измерение его параметров

2.6. Численное моделирование генерации континуума и сжатия предельно короткого импульса.

2.7. Численное моделирование на основе однонаправленного волнового уравнения.

2.8. Выводы ко второй главе.

Глава 3. Волоконное преобразование фемтосекундных импульсов в область коротких длин волн и создание мощной двухдиапазонной эрбиево-иттербиевой системы.

3.1. Введение.

3.2. Общая схема построения гибридной эрбиево-иттербиевой системы

3.3. Эрбиевый задающий генератор и усилитель импульсов с высокой пиковой мощностью.

3.4. Нелинейное преобразование сигнала эрбиевого источника в коротковолновую область.

3.5. Механизм генерации высокочастотного излучения в световоде со смещенной дисперсией.

3.6. Усиление импульсов в мощном иттербиевом усилителе

3.7. Выводы к третьей главе.

Актуальность работы

Бурное развитие волоконных лазерных систем, в последние десятилетия определяет все большее их распространение в различных областях науки и технологий от медицинских и промышленных применений до сверхточных измерений. Широкий спектр приложений волоконных фемтосекундных лазеров обусловлен рядом таких их свойств, как компактность, высокая надежность, стабильность выходного излучения и отсутствие необходимости настройки в процессе работы. Эти свойства волоконно-оптических лазеров определяются, в первую очередь, их полностью волоконным исполнением, а также наличием высокостабилизированной диодной накачки. Несколько уступая по энергетическим характеристикам современным твердотельным лазерам, волоконные лазеры имеют значительные преимущества в частоте повторения импульсов (свыше 10 ГГц) и долговременной стабильности частоты ( 0.01 Гц). В последнее время волоконные лазеры все в большей степени способны решать и такие актуальные задачи современной лазерной физики, как генерация ультракоротких, в том числе и предельно коротких, оптических импульсов в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах, где традиционно применяются твердотельные лазеры [1].Использование волоконных нелинейно-оптических методов открывает уникальные возможности для управления параметрами лазерного излучения, в частности, позволяет реализовать перестройку излучения в сверхшироком диапазоне частот,, сверхуширение спектра, а также сжатие импульса до предельно короткой длительности.

При использовании традиционного метода лазерной генерации оптического излучения диапазон перестройки длины волны имеет фундаментальное ограничение, обусловленное шириной полосы активных сред. Доступный диапазон длин волн фемто секундного излучения, может быть до некоторой степени расширен с помощью подходов нелинейной оптики, основанных на использовании нелинейного смешения частот волн, генерации новых спектральных компонент в процессах вынужденного рассеяния, а также при параметрических процессах, в которых возможно реализовать плавную перестройку частоты излучения. В волоконных системах перестраиваемое по частоте фемтосекундное излучение может быть получено как в процессе генерации суперконтинуума, так и с помощью рамановской перестройки длины волны солитонных импульсов в нелинейных волокнах с аномальной дисперсией групповых скоростей [2, 3]. В этом отношении интересным представляется использование кварцевых световодов с уменьшающейся по длине аномальной дисперсией (DDF, dispersion-decreasing fiber), которые, как и стандартные световоды, могут быть легко включены в состав полностью волоконных систем, но предоставляют дополнительные возможности для управления параметрами импульса. До настоящего времени такие световоды использовались для сжатия импульсов и генерации суперконтинуума [4-8]. Первая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию возможностей сверхширокополосной' и высокоэффективной перестройки частоты фемтосе-кундного солитонного импульса в кварцевых световодах с уменьшающейся по длине дисперсией групповых скоростей. В данной работе показано, что такие световоды позволяют осуществлять перестройку спектра солитонного импульса как целого во всем диапазоне прозрачности кварцевых волокон с высокой эффективностью.

Проблема генерации предельно коротких лазерных импульсов длительностью вплоть до периода оптического колебания продолжает привлекать к себе пристальное внимание широких кругов исследователей [9, 10]. В последние годы проявляется устойчивый интерес к генерации таких сверхкоротких импульсов с помощью оптических систем в волоконном исполнении, где уже достигнуты определенные успехи и продемонстрирована- генерация импульсов с малым числом периодов оптического поля [11-14]. Волоконные системы, генерирующие ультракороткие, в том числе и предельно короткие, оптические импульсы были использованы для? таких приложений, как спектроскопия- с высоким временным разрешением и многофотонная* микроскопия [15], генерация и детектирование терагерцового излучения [16, 17], возбуждение нано-размерных нелинейных структур [18]. Для этих и многих других приложений весьма важным является не просто получение предельно коротких импульсов на фиксированной длине волны, но и возможность их частотной перестройки. Таким образом, актуальной является задача построения* полностью волоконного источника предельно коротких импульсов с возможностью перестройки центральной длины волны их спектра. Вторая глава диссертации посвящена решению этой задачи и построению полностью волоконного источника предельно коротких импульсов с возможностью перестройки центральной длины волны их спектра.

Не менее актуальной проблемой современной нелинейной оптики является генерация излучения с высокой пиковой интенсивностью и малой длительностью, которое также может быть получено с помощью волоконных систем. Последние достижения в разработке иттербиевых волоконных систем демонстрируют продвижение в область достаточно высокой энергии и малой длительности импульса, а соответственно, большой интенсивности, достаточной для изучения процессов взаимодействия сверхсильных лазерных полей с веществом, таких как генерация высоких гармоник и аттосекундных импульсов [19] . Тем не менее, несмотря на хорошую проработку иттербиевых усилителей,, позволяющих достичь высокого уровня энергии и средней мощности, в силу отсутствия стандартных волокон с аномальной дисперсией в области 1 мкм, генерация коротких фемтосекундных импульсов в этом диапазоне в полностью волоконных системах является достаточно сложной и актуальной задачей. Третья глава диссертации посвящена созданию оригинальной гибридной эрбиево-иттербиевой системы для получения мощных коротких импульсов, в которой исходные фемтосекундные импульсы в диапазоне 1-1.1 мкм генерируются при нелинейном полностью волоконном* преобразовании сигнала эр-биевого задающего источника. Далее эти импульсы усиливаются до высокого уровня энергии по схеме усиления чирпированных импульсов, традиционно применяемой для мощных фемтосекундных систем.

Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы являются разработка и изучение перестраиваемых волоконных источников ультракоротких импульсов, включая

1) разработку и экспериментальную реализацию методов плавной перестройки фемтосекундных импульсов в области длин волн 1.5-2 мкм в полностью волоконной системе на основе волокон с уменьшающейся по длине дисперсией групповых скоростей,

2) экспериментальное и теоретическое исследование возможностей уши-рения спектра и сжатия перестраиваемого по-длине волны импульса до предельно короткой длительности,

3) исследование нелинейного полностью волоконного преобразования излучения эрбиевого волоконного лазерного источника на длине волны 1.56 мкм в диапазон 1 мкм и разработку на этой базе двухдиапазонной оптически синхронизированной эрбиево-иттербиевой системы для генерации мощных фемтосекундных импульсов.

Научная новизна

1. Впервые предложено использовать световоды с плавно уменьшающейся по длине дисперсией (DDF) для широкополосной перестройки центральной длины волны солитонного импульса. На основе световода DDF создана компактная полностью волоконная лазерная система, позволяющая генерировать солитонные импульсы, плавно перестраиваемые в диапазоне длин волн от 1.6-2.2 мкм.

2. Найдено семейство квазисолитонных импульсов, распространяющихся с сохранением формы и длительности при непрерывном уменьшении несущей частоты в световодах с плавно уменьшающейся по длине дисперсией.

3. На основе полностью волоконной эрбиевой системы предложена и экспериментально реализована новая схема создания оптических импульсов предельно короткой длительности с малым числом периодов оптического поля с плавно перестраиваемой центральной длиной волны в диапазоне 1.7-2.0 мкм.

4. Предложена и экспериментально реализована новая полностью волоконная схема создания оптически синхронизированных фемтосекундных импульсов на двух сильно различающихся длинах волн (1-1.1 мкм и 1.6-1.8 мкм) в ближнем инфракрасном диапазоне на базе эрбиевого волоконного лазера и кварцевого световода со смещенной точкой нулевой дисперсии.

Практическая -значимость

1. Созданы компактные волоконные лазерные системы, позволяющие генерировать перестраиваемые в диапазоне 1.6-2.2 мкм высококачественные фемтосекундные импульсы, которые могут найти применения для таких научных, биомедицинских и технических приложений, как нелинейная спектроскопия и микроскопия, телекоммуникации и генерация терагерцового излучения, наномодификация материалов.

2. Развитые в диссертации методы плавной высокоэффективной перестройки длины волны импульса в световодах с переменной дисперсией могут быть положены в основу создания источника фемтосекундных импульсов в среднем инфракрасном диапазоне до длины волны 4-5 мкм с использованием прозрачных в этом диапазоне волокон переменного диаметра из стекол специального состава.

3. Создана мощная двухдиапазонная волоконная система, генерирующая импульсы в диапазонах 1-1.1 мкм и 1.6-1.8 мкм, которая может быть использована как задающий источник оптически синхронизированных импульсов для каналов накачки и сигнала мощных параметрических усилителей света, а также в экспериментах.типа "накачка-зондирование".

На защиту выносятся следующие положения:

1. Полностью волоконная система на базе световода с уменьшающейся по длине аномальной дисперсией (DDF - dispersion-decreasing fiber) осуществляет плавную перестройку центральной длины волны солитонного импульса в широком диапазоне 1.5-2.2 мкм за счет совместного действия эффектов адиабатического сжатия солитона в DDF и вынужденного рамановского рассеяния.

2. В световоде с плавно уменьшающейся по длине дисперсией могут распространяться устойчивые квазисолитонные импульсы, у которых отстройка центральной частоты от точки нуля дисперсии и длительность зависят только от их энергии.

3. Полностью волоконная система, состоящая из эрбиевого задающего лазера с синхронизацией мод, волоконного усилителя с диодной накачкой, световода с плавно уменьшающейся дисперсией, высоконелинейного световода с нормальной дисперсией и линейного волоконного компрессора, способна генерировать, предельно короткие импульсы, содержащие 4 периода колебаний поля, перестраиваемые по длине волны в диапазоне 1.7-2 мкм.

4. В полностью волоконной гибридной эрбиево-иттербиевой системе фем-тосекундные импульсы высокого качества в диапазоне длин волн 1-1.1 мкм могут быть получены с помощью нелинейного преобразования излучения эрбиевого задающего лазера в кварцевом волокне со смещенной дисперсией^ и могут быть далее усилены в мощном иттербиевом усилителе до уровня энергии 100 нДж.

Достоверность

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием экспериментальных результатов с численными расчетами и приближенными аналитическими оценками. По первой главе — измеренные в эксперименте спектры и автокорреляционные функции перестраиваемых по длине волны солитонов в световоде DDF, а также зависимости длины волны и длительности солитонов от энергии» согласуются с результатами численного моделирования и аналитическими,оценками. По второй главе — имеется согласие измеренного спектра суперконтинуума и восстановленной из автокорреляционных измерений формой импульса с результатами численного моделирования. По третьей главе — имеется соответствие картины эволюции спектра мощного фемтосе-кундного импульса в световоде со смещенной дисперсией с численным моделированием. Также имеется согласие измеренного положения спектрального пика излучения линейных дисперсионных волн с расчетным значением, полученным из условия фазового синхронизма.

Апробация работы

Основные результаты, работы докладывались на российских и международных научных конференциях International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/International Conference on Lasers, Applications,, and Technologies (ICONO/LAT 2007, Minsk, Belarus), International.Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/Europe-IQEC (Munich, Germany, 2007), Всероссийской конференции no волоконной оптике (Пермь, 2007 г.), Российском-семинаре по волоконным лазерам (Новосибирск, 2007 г.), International Conference on Laser Optics (St. Petersburg, 2008), International Conference Photonics West (San Jose, California USA, 2008), 4th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and Then-Applications (St. Petersburg, 2008), International Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/Europe-EQEC (Munich, Germany, 2009 - приглашенный доклад), 26th Progress in Electromagnetics Research Symposium. (PIERS 2009, Moscow), IX Международном симпозиуме по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС 2009, Казань), семинарах ИПФ РАН, семинарах университета г. Ноттингем и Университета Астон (Великобритания). Результаты, полученные в ходе выполнения работы, вошли в Отчет РАН за 2006 г. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из которых 5 статей в реферируемых научных журналах [20-24], 3 статьи в сборниках трудов и 10 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и трех приложений. Общий объем диссертации 156 страниц, включая 51 рисунок. Библиография включает 130 наименований.