Волоконные иттербиевые лазеры сверхкоротких импульсов без внутрирезонаторной компенсации дисперсии с использованием нелинейного волоконного зеркала и модулятора на основе углеродных нанотрубок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Бородкин Андрей Александрович

ВОЛОКОННЫЕ ИТТЕРБИЕВЫЕ ЛАЗЕРЫ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ БЕЗ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ДИСПЕРСИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЛИНЕЙНОГО ВОЛОКОННОГО ЗЕРКАЛА И МОДУЛЯТОРА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.04.21 - Лазерная физика

21 ОКТ 2015

Москва-2015 005563643

005563643

Работа выполнена в Центре физического приборостроения Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Худяков Дмитрий Владимирович кандидат физико-математических

наук, старший научный сотрудник ЦФП ИОФ РАН

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Лихачев Михаил Евгеньевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией специальных волоконных световодов НЦВО РАН

Косарева Ольга Григорьевна

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей физики и волновых процессов, отделение радиофизики, физический факультет, МГУ имени М.В. Ломоносова

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Защита диссертации состоится «7» декабря 2015 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 002.063.03 при ИОФ РАН по адресу г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН. Автореферат разослан « 3 » октября 2015 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.063.03 __

канд- Физ.-мат. наук__Б Водяк/

тел.+7(499) 503-8147

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Импульсные волоконные лазеры находят широкое применение в науке и технике (тонкая обработка материалов, гравировка, резка меггала, изучение нелинейных процессов), в медицине и т.д. Неоспоримыми преимуществами волоконных лазеров являются: их компактность, простота изготовления, возможность получения больших мощностей, стабильность. Для реализации и стабилизации импульсного режима используют внутрирезонаторные нелинейные модуляторы интенсивности излучения, обеспечивающие пассивную синхронизацию мод лазера. Перспективными модуляторами являются нелинейное волоконное зеркало и насыщающиеся поглотители на основе одностенных углеродных нанотрубок и графена.

Нормальная дисперсия групповой скорости при распространении короткого импульса в прозрачной среде приводит к временным и спектральным изменениям первоначального импульса. Большинство импульсных волоконных лазеров работает на длине волны 1.55 мкм, где проблему дисперсионного расплывания импульса решают с помощью введения участков волокна с аномальной дисперсией, которые компенсируют влияние участков с нормальной дисперсией [1]. Задача усложняется при переходе на длину волны генерации вблизи 1 мкм. Существует ограниченное количество методов получения аномальной дисперсии для излучения на этой длине волны, все они усложняют схему волоконного лазера [2-4]. По этой причине в настоящее время активно исследуются способы создания импульсных волоконных лазеров со схемой резонатора, где используются элементы только с нормальной дисперсией групповой скорости [5]. Такие лазеры позволяют получать импульсы с энергией до нескольких десятков наноджоулей [6,7], что на пару порядков выше аналогичных параметров для других вариантов волоконных лазеров ультракоротких импульсов (УКИ).

Одним из основных недостатков большинства волоконных лазеров является нестабильность, связанная с "дрейфом" состояния поляризации вследствие внешнего изменения температуры и внутренних напряжений в одномодовом волокне. Для решения этой проблемы были разработаны специальные волокна, поддерживающие поляризацию излучения вдоль определенной оси волокна. Параметры излучения на выходе осцилляторов, выполненных на волокнах с поддержкой поляризации [8,9], практически не зависят от внешних условий, показывая высокую стабильность выходного излучения. Поэтому разработка таких лазеров является очень актуальной задачей.

Благодаря быстрому времени релаксации и поглощению в области 1 мкм одностенные углеродные нанотрубки и графен являются перспективными материалами в качестве насыщающегося поглотителя для синхронизации мод в импульсных волоконных лазерах [10]. Их основным преимуществом является относительно простая технология изготовления, а также возможность использования в кольцевых схемах лазеров, где требуется насыщающийся поглотитель, работающий в режиме пропускания излучения. Также синхронизация мод, основанная на насыщающихся поглотителях, отличается стабильностью и самозапуском. Для определения оптимальных режимов работы углеродных наноструктур в качестве модуляторов лазерного излучения важно исследовать параметры их насыщающегося поглощения, которые зависят от способов изготовления данных наноструктур [11].

В случае резонатора с полностью нормальной дисперсией образующих элементов импульсная генерация возможна в режиме диссипативного солитона [12,13], когда фазовая самомодуляция и дисперсионное уширение импульса компенсируются спектральным селективным элементом. Энергия импульсов на выходе такого осциллятора обычно высока и может достигать десятков наноджоулей. В связи с этим при использовании полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) в качестве внутрирезонаторных модуляторов встает задача нахождения таких режимов

4

генерации, в которых нет опасности деградации пленок в результате термического разрушения.

Разработка и изучение режимов работы новых волоконных итгербиевых лазеров сверхкоротких импульсов без внутрирезонаторной компенсации дисперсии с использованием нелинейного волоконного зеркала (НВЗ) и модулятора на основе углеродных нанотрубок является актуальной задачей. Решение данной задачи позволит найти новые способы амплитудной модуляции излучения в резонаторе для улучшения параметров волоконных лазеров ультракоротких импульсов.

Цель работы

Целью данной работы является разработка и детальное исследование импульсных волоконных лазеров без компенсации дисперсии на длине волны 1 мкм с пассивной синхронизации мод с помощью модуляторов на базе нелинейного волоконного зеркала, а также одностенных углеродных нанотрубок и графена.

Для достижения заявленной цели были поставлены следующие задачи:

1) Разработать волоконный лазер с модулятором на базе нелинейного волоконного зеркала, выполненный на волокне с поддержкой поляризации и без внутрирезонаторной компенсации дисперсии.

2) Разработать программу для математического моделирования распространения электромагнитных волн в среде. С помощью программы промоделировать получившийся волоконный лазер и исследовать его режимы генерации.

3) Исследовать и провести сравнение свойств насыщающегося поглощения одностенных углеродных нанотрубок и графена. Оценить их пороги оптического разрушения.

4) Разработать волоконный лазер с модулятором на базе углеродных наноструктур. Исследовать его режимы работы и влияние насыщающегося поглотителя на генерацию лазера.

Научная новизна

С помощью модулятора на основе нелинейного волоконного зеркала получена стабильная генерация пикосекундных и субнаносекундных импульсов на длине волны вблизи 1 мкм в волоконном кольцевом резонаторе, выполненном полностью на волокне с поддержкой поляризации и без компенсации нормальной дисперсии резонатора.

Проведено измерение и сравнение свойств насыщающегося поглощения и пороги оптического разрушения многослойного графена на кварцевой подложке, полученного механическим отслоением от высокоупорядоченного пиролитического графита, и композитных пленок на основе карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) с ОУНТ и графеном.

Предложен комбинированный способ синхронизации мод в волоконном лазере на основе эффекта нелинейного вращения поляризации (НВП) и насыщающегося поглощения пленочного модулятора с ОУНТ. Предложенный метод, с одной стороны, обеспечивает пассивную синхронизацию мод при малых интенсивностях излучения, что предотвращает оптическое разрушение полимерной пленки, а с другой стороны, обеспечивает самозапуск импульсной генерации.

Получена генерация УКИ волоконного лазера на длине волны 1 мкм без компенсации нормальной дисперсии резонатора с комбинированным модулятором на основе ОУНТ-КМЦ. Исследованы режимы работы лазера и сделаны выводы о совместном влиянии модуляторов ОУНТ-КМЦ и НВП на режим импульсной генерации.

Положения, выносимые на защиту

1) Импульсная генерация волоконного лазера на длине волны 1 мкм с модулятором на основе НВЗ, выполненным полностью на волокне с поддержкой поляризации без компенсации нормальной дисперсии, получена в двух режимах с длительностью импульса 46 и 640 пс.

2) Разработанная программа для численного моделирования волоконных

осцилляторов позволяет вычислять параметры выходного излучения

е

резонатора в стабильном режиме импульсной генерации и изучать динамику изменения спектральных и временных параметров импульса внутри резонатора.

3) Измеренные параметры насыщающегося поглощения и пороги оптического разрушения модуляторов на основе одностенных углеродных нанотрубок и графена позволяют определить интенсивности излучения, при которых они могут применяться для синхронизации лазерных мод волоконного осциллятора.

4) Предложенный способ комбинированной синхронизации мод, основанный на эффекте нелинейного вращения поляризации и насыщающемся поглощении ОУНТ, обеспечивает быстрый самозапуск импульсного режима генерации и позволяет снизить энергию импульсов, необходимую для стабильной генерации УКИ, ниже порога оптического пробоя пленочного модулятора ОУНТ-КМЦ.

5) Представленный волоконный лазер УКИ с комбинированной синхронизацией мод, основанной на эффекте НВП и насыщающемся поглощении ОУНТ, отличается быстрым самозапуском импульсной генерации и долговременной стабильностью выходных характеристик.

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработан волоконный пикосекундный лазер с перестраиваемой длиной волны генерации 1.02-1.05 мкм, отличающийся температурной и поляризационной стабильностью выходного излучения.

Разработан полностью волоконный субнаносекундный лазер на длине волны 1.03 мкм с шириной спектра 0.04 нм. Лазер выполнен полностью на волокне с поддержкой поляризации, что обеспечивает температурную и поляризационную стабильность излучения.

• Разработана программа для численного моделирования процесса распространения лазерного излучения в оптических волокнах. Программа позволяет выполнять поиск оптимальных режимов и расчет параметров

выходного излучения для случая стабильной импульсной генерации волоконных лазеров.

Разработан волоконный лазер с комбинированным модулятором на основе одностенных углеродных нанотрубок с длительностью выходного импульса 1.7 пс. Благодаря возможности компрессии выходного импульса до длительности 183 фс он может использоваться для практических применений в качестве фемтосекундного источника импульсов.

Предложен комбинированный способ синхронизации мод на эффекте НВП с применением модулятора на основе одностенных углеродных нанотрубок, обеспечивающий стабильную генерацию УКИ с энергией ниже порога оптического пробоя пленочного модулятора ОУНТ-КМЦ.

Достоверность

Достоверность и надежность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается воспроизводимостью, соответствием экспериментальных и расчетных результатов и реализацией на их основе действующих экспериментальных лазеров.

Личный вклад

Все представленные в работе результаты получены соискателем лично, либо в соавторстве с его непосредственным участием. Образцы композитных пленок карбоксимегилцеллюлозы с одностенными углеродными нанотрубками и графеном были изготовлены непосредственно Лобачем А.С в ИПХФ РАН.

Апробация работы

Основные представленные в работе результаты были доложены на 5 международных и всероссийских конференциях:

6th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and Their Applications, 15th International Conference "Laser 0ptics-2012" (г. Санкт-Петербург, Россия, 2012); Научная сессия НИЯУ МИФИ-2014 (г. Москва, Россия, 2014 г.); 57-я научная конференция МФТИ с международным

участием, посвященная 120-летию со дня рождения П. Л. Капицы (г. Долгопрудный, Россия, 2014 г.); IV Международная конференция по фотонике и информационной оптике (г. Москва, Россия, 2015 г.); Научная сессия НИЯУ МИФИ-2015 (г. Москва, Россия, 2015 г.).

Основные результаты опубликованы в 6 статьях, из них 4 в трудах конференций и 2 в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, и в 3 патентах РФ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации 140 страниц, включая 77 рисунков, 2 таблицы и библиографию, содержащую 95 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и поставлены соответствующие задачи, сформулирована научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Также приведены сведения о личном вкладе автора, апробации результатов диссертационной работы, публикациях автора и полученных патентах.

В первой главе описываются параметры оптических волокон и основные процессы, происходящие с лазерным излучением при распространении по оптическому волокну. Представлен обзор литературы, посвященный численному моделированию усиления лазерного излучения в активных волокнах. Рассмотрены математические модели для описания распространения лазерного излучения в нелинейных средах и различные способы численного моделирования этого процесса.

Во второй главе рассматриваются различные способы модуляции лазерного излучения в резонаторе для получения пассивной синхронизации мод. Рассмотрены их свойства и проведено сравнение представленных способов модуляции между собой. Также рассмотрен вопрос нестабильности импульсной генерации, связанной с модуляцией добротности. Описаны

различные способы измерения ультракоротких импульсов и метод компрессии частотно-модулированных импульсов с помощью пары дифракционных решеток.

Третья глава посвящена разработке и исследованию новых схем импульсных иттербиевых волоконных лазеров с модулятором на основе нелинейного волоконного зеркала, выполненных на волокне с поддержкой поляризации без компенсации нормальной дисперсии резонатора.

В пункте 3.1 представлен волоконный иттербиевый пикосекундный лазер с пассивной синхронизацией мод на нелинейном волоконном зеркале (Рис.1). Схема резонатора выполнена на волокне с поддержкой поляризации без компенсации нормальной дисперсии. Экспериментальная автокорреляционная функция выходного излучения соответствует импульсам прямоугольной формы с длительностью 50 пс (Рис.2.а). Импульсы имеют линейный чирп и могут быть сжаты внешним компрессором до длительности -1.8 пс (Рис.2.б). Частота следования импульсов лазера 8.5 МГц. Средняя мощность выходного излучения составляет 7 мВт, ширина спектра 2 нм. Кольцевой резонатор выполнен полностью на волокне с поддержкой поляризации, что обеспечивает меньшую чувствительность лазера к внешним условиям и стабильное состояние поляризации на выходе. Численное моделирование импульсного волоконного лазера показало хорошее совпадение экспериментальных и теоретических выходных характеристик (Рис.2). Для моделирования распространения импульсов лазерного излучения в оптическом волокне использовалось нелинейное уравнение Шредингера [14]:

& 2 2 8т 6 Зг3 1 1 ;

где Л(-т) — медленно меняющаяся амплитуда огибающей импульса, зависящая от координаты распространения в волокне г и времени т, измеряемым в системе отсчета, движущейся с групповой скоростью импульса; g и а — коэффициенты усиления и потерь в волокне,

ю

соответственно; р2, /?з — показатели дисперсии групповой скорости второго и третьего порядков соответственно; у — нелинейный коэффициент фазовой самомодуляции.

Диод накачки

Фильтр 10 нм Изолятор-

поляризатор

Рис.1. Схема волоконного пикосекундного лазера с НВЗ.

1.0-

0.5-

о.о-

- Эксперимент

- Мат. моделир.

1.0 0.8 0.6 0.40.20.0

--Эксперимент

- Мат. моделир.

-60 -40

~~I -20

I

20

40

-1

60

-20

-10

Время, пс

^ I ' п

о ю Время, пс

-1

20

Рис.2, а) Автокорреляционные функции импульсов лазерной генерации волоконного лазера с НВЗ, эксперимент и математическое моделирование; б) автокорреляционные функции компрессированного импульса, эксперимент и математическое моделирование.

В пункте 3.2 представлен субнаносекундный полностью волоконный иттербиевый лазер с пассивной синхронизацией мод на нелинейном волоконном зеркале (Рис.3). Схема резонатора выполнена на волокне с поддержкой поляризации и без компенсации нормальной дисперсии. Средняя мощность на выходе осциллятора составляла 25 мВт с центральной длиной волны 1032 нм и шириной на полувысоте 0.04 нм (Рис.4а). Частота следования импульсов 5 МГц. Выходной импульс длительностью 635 пс имел прямоугольную форму (Рис.4б). Численное моделирование импульсного волоконного лазера показало хорошее совпадение

экспериментальных и теоретических выходных характеристик (Рис.4а).

и

И ИМИ I op

поляризатор

Рис.3. Схема волоконного субнаносекундного осциллятора.

1.0 0.80.60.4 0.2 0.0

- - Эксперимент ■ - Мат. моделирование

I-In R _

1 I 1-1-1-1-'-1—

1031.2 1031.6 1032.0 1032.4 1032.Е Длина волны, нм

0. 0.6 0.40.20.0-

т

-500

—I—ill |

0 500

Время, пс

Рис.4, а) Спектры лазерной генерации волоконного субнаносекундного лазера с НВЗ, эксперимент и математическое моделирование; б) выходной импульс, полученный численным моделированием.

В пункте 3.3 представлен второй стабильный режим генерации волоконного лазера с НВЗ, показанного на Рис.3. Мощность лазерной генерации на выходе из резонатора в случае второго стабильного режима генерации составляла 3.5 мВт с частотой следования импульсов 5 МГц. Центральная длина волны и ширина спектра на полувысоте составляли 1033 нм и 4 нм соответственно. Ширина автокорреляции на полувысоте составляла 66 пс (Рис. 5а), чему соответствует импульс с длительностью 85 пс, полученный с помощью численного моделирования и представленный на Рис.5б.

1.0 0.8 0.6 0.40.2 0.0

- Эксперимент

- Мат. модел.

I

-40

Время, пс

40

-40 0 40 Время, пс

Рис.5, а) Автокорреляция выходного импульса волоконного лазера с НВЗ во втором стабильном режиме, эксперимент и математическое моделирование; б) выходной импульс, полученный численным моделированием.

12

Четвертая глава посвящена изучению насыщающегося поглощения и порогов оптического разрушения модуляторов на основе графена и ОУНТ методами г- и р-сканирования. Образцы с углеродными нанотрубками представляют собой композитную пленку на основе полимера карбоксиметилцеллюлозы (ОУНТ-КМЦ). Образцы с графеном были изготовлены двумя методиками. Механическое отслоение использовалось для получения образцов многослойного графена на стеклянной подложке (графен-МО). Композитные пленки с графеном (графен-КМЦ) изготовлены на основе полимера карбоксиметилцеллюлозы.

Для изучаемых образцов были измерены оптические спектры поглощения, спектры Рамановского рассеяния и получены изображения со сканирующего электронного микроскопа. Полученные данные подтвердили наличие заявленных углеродных наноструктур в исследуемых образцах.

Для использования насыщающихся поглотителей в лазерах УКИ необходимо знать нелинейные характеристики оптического поглощения, такие как интенсивность насыщения, ненасыщаемая и насыщаемая часть поглощения, а также интенсивности излучения, при которых происходит разрушение модулятора. Для нахождения этих характеристик использовались два метода: ъ- и р-сканирование [15]. Использование двух методов позволяет уменьшить погрешность измерения параметров и избежать возможных ошибок, связанных с неоднородностью образцов. На Рис.6 приведены полученные зависимости коэффициентов пропускания пленочных образцов от пиковой интенсивности, снятые двумя разными методами сканирования. Оптическое разрушение образцов происходило начиная с пиковых интенсивностей 0.8 и 1.5 ГВт/см2 для ОУНТ- и графен-содержащих композитов соответственно.

Для анализа экспериментальных кривых использовалось выражение [16]:

Д Т

'-Р-сканирование

о г-сканирование -Теор. аппроксимация

0.1 0.2 о.з ( Пиковая интенсивность, ГВт/см

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1,4 Пиковая интенсивность, ГВт/см2

Рис.6, а) Зависимость коэффициента пропускания от пиковой интенсивности для пленочного композита ОУНТ-КМЦ; б) зависимость коэффициента пропускания от пиковой интенсивности для пленочного образца Графен-КМЦ.

где Т(1) — коэффициент пропускания образца, зависящий от интенсивности; ЛТ — изменение коэффициента пропускания вследствие насыщающегося поглощения; Тт— ненасыщаемая часть коэффициента пропускания; 1и. — интенсивность насыщения поглотителя.

Результат аппроксимации экспериментальных кривых, используя выражение (2), представлен в Табл. 1. Таблица 1.

Образец/Метод измерения Тда % А Т, % кл, ГВт/см2 * мкДж/см2

Графен-КМЦ/ г-скан 32.1 1.3 1.7±0.5 680±200

Графен-КМЦ/ Р-скан 32.5 1.7 2.0±0.4 800±160

ОУНТ-КМЦ/ г-скан 70.9 2.58 0.051±0.016 20.4±6.4

ОУНТ-КМЦ/ Р-скан 69.8 2.74 0.035±0.016 14±6.4

Интенсивности насыщения 1и для двух экспериментальных методов, относящихся к одному композиту, в пределах ошибки эксперимента совпадают. Полученные методами р- и г-сканирования величины плотности энергии насыщения для композитов с ОУНТ 14 и 20.4 мкДж/см2 сопоставимы со значениями, полученными из других источников в аналогичных условиях: 40 мкДж/см2 для пленки ОУНТ на поверхности брегговского отражателя [17], 10 и 6 мкДж/см2 для пленочного композита

ОУНТ-полиметилметакрилат [18,19]. Для образцов с графеном величина интенсивности насыщения более чем на порядок выше, чем для образцов с ОУНТ, и имеет величину ~2 ГВт/см2, находясь вблизи порога разрушения пленочного композита. Измеренные величины интенсивности насыщения пленочного композита с графеном по порядку величины сравнимы со значениями 4 ГВт/см2 [20] и 1.5±0.5 ГВт/см2 [21] для двухслойного графена на кварцевой подложке.

Образцы графена, полученные механической эксфолиацией, неоднородны и представляют собой большое количество различных по толщине и размеру листов графита и многослойного графена. Поэтому измерение нелинейных характеристик данных образцов проводилось при помощи волоконного р-сканирования с позиционированием волоконной керамической ферулы напротив области образца достаточного размера и толщины (Рис.7а). В результате были получены зависимости нелинейного коэффициента пропускания от интенсивности зондирующего излучения для нескольких различных частей образца (Рис.7б).

'л «л.

|Г

~г

-1-т-г-

0.2 0.4 0.6 0.8

Пиковая интенсивность, ГВт/смл2

Рис.7, а) Позиционирование волоконной ферулы относительно листа многослойного графена; б) зависимость коэффициента пропускания от пиковой интенсивности для многослойного графена на стеклянной подложке.

Результат аппроксимации экспериментальных кривых, используя

выражение (2) представлен в Табл.2.

Таблица 2.

Образец/Метод измерения Поглощение, % Изменение поглощения, % Ь.А, ГВт/см2 Порог пробоя. ГВт/см2

Графен-КМЦ/ г-скан 57,2 1,8 1.7 1,1

Графен-КМЦ/ р-скан 57,2 2,4 2.0 1,4

Графен-МО 1/ р-скан 30,7 7,06 0,745 0,8

Графен-МО 2/ р-скан 10,9 5,46 2,06 0,9

Как видно из таблицы, поглощение образцов Графен-МО значительно меньше, чем у графена в полимерной матрице. При этом изменение поглощения, а значит глубина модуляции, примерно в два-три раза больше. Порог пробоя образцов, полученных механическим отслоением, оказался меньше, чем у образцов графен-КМЦ.

Для образцов в полимерной матрице были найдены значения порогов термического разрушения при непрерывном облучении. Пороговое значение средней поглощенной интенсивности излучения для термического разрушения пленочного образца составляет 18±1 кВт/см2.

Полученные данные необходимы для использования насыщающихся поглотителей в волоконных лазерах УКИ и показывают преимущества и недостатки исследуемых образцов. Для применения в волоконных лазерах из представленных образцов наилучшим образом подходят композитные пленки с нанотрубками, порог прогорания которых примерно в 15 раз выше их интенсивности насыщения.

В пятой главе представлен волоконный лазер УКИ с комбинированным способом пассивной синхронизацией мод на основе НВП модулятора и насыщающегося поглощения ОУНТ, выполненный без компенсации нормальной дисперсии резонатора (Рис.8). Для исследования параметров импульсной генерации лазера с нелинейным модулятором на основе ОУНТ и

при его отсутствии нелинейный пленочный модулятор с ОУНТ был расположен в воздушной части осциллятора между двух волоконных коллиматоров. Это позволяло менять интенсивность излучения на нелинейном поглотителе, а также выводить модулятор из резонатора.

Рис.8. Схема иттербиевого волоконного лазера с комбинированным модулятором.

Когда пленка ОУНТ-КМЦ размещалась в резонаторе волоконного лазера вблизи фокуса линз, режим импульсной генерации достигался при величине поглощенной мощности накачки 600 мВт. Частота следования импульсов составляла 35.6 МГц. В случае принудительного прерывания излучения в резонаторе, импульсная генерация восстанавливалась после открытия резонатора. Процесс самозапуска режима импульсной генерации при кратковременном прерывании лазерного пучка в резонаторе показан на Рис.9. Как видно на осциллограмме, время от открытия резонатора до запуска импульсной генерации составляет -300 мкс.

Рис.9. Осциллограмма импульсной генерации на выходе волоконного лазера, показывающая процесс самозапуска импульсной генерации при кратковременном прерывании излучения в резонаторе. Диапазон времени от открытия резонатора до запуска импульсной генерации указан стрелками.

Центральная длина волны и ширина спектра на полувысоте составляли 1043 нм и 19 нм соответственно. Длительность импульса измерялась на выходе поляризатора, откуда в режиме импульсной генерации получали 24 мВт средней мощности излучения. Полная ширина импульса на полувысоте в предположении гауссовой формы составляла 1.7 пс. Длительность импульса после компрессии составляла 183 фс.

При размещении пленки ОУНТ-КМЦ внутри резонатора в области перетяжки телескопической системы с диаметром лазерного пятна 26 мкм (184 МВт/см2 пиковой интенсивности на образце) происходило разрушение образца в момент процесса инициации импульсов. При диаметре пучка 54 мкм (43 МВт/см2) разрушение образца прекращалось и наблюдалась стабильная генерация импульсов и быстрый самозапуск. При увеличении диаметра пучка время необходимое для самозапуска увеличивалось. Самозапуск импульсной генерации отсутствовал при диаметре пучка 152 мкм (5.5 МВт/см2). Таким образом, использование комбинированного модулятора позволило получить стабильную генерацию УКИ при пиковых интенсивностях, падающих на пленку насыщающегося поглотителя, более чем на порядок ниже порога оптического пробоя. Обнаруженный эффект связан с влиянием НВП и проявляется в уменьшении коэффициента пропускания при увеличении пиковой интенсивности.

На Рис.10 представлены зависимости нелинейного пропускания от пиковой интенсивности для пленки ОУНТ-КМЦ, для модулятора на основе НВП и комбинированного модулятора. Для построения зависимостей были взяты параметры для углов фазовых пластинок 91 =-44.5°, 02=18°, которые использовались в рассмотренном ранее импульсном волоконном лазере. Пиковая мощность стабильной генерации импульсов показана вертикальной пунктирной линией, которая попадает на максимум зависимости пропускания комбинированного модулятора. Уменьшение пропускания при увеличении пиковой интенсивности справа от линии стабильной генерации не позволяет развиваться режиму неустойчивости в результате модуляции

добротности. Аналогичный эффект стабилизации генерации УКИ происходит при двухфотонном поглощении падающего излучения на больших интенсивностях в SESAM [22]. С другой стороны, пиковая мощность излучения, падающая на пленку ОУНТ-КМЦ, в режиме стабильной генерации импульсов значительно ниже порога разрушения пленочного модулятора, что улучшает долговременную надежность такого модулятора.

5x108 5x10' Рис.10. Зависимости коэффициента

пропускания 1) ОУНТ-КМЦ модулятора, 2) НВП модулятора и 3) комбинированного модулятора от пиковой интенсивности импульса в волокне (нижняя ось координат). На верхней оси координат показана пиковая интенсивность, падающая на пленку ОУНТ-КМЦ модулятора. Пунктирной линией показана пиковая интенсивность стабильной генерации импульсов.

10° 10® , г Пиковая интенсивность, Вт/см

В заключении работы сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Разработаны и исследованы новые схемы пикосекундного и субнаносекундного волоконного лазера с длиной волны генерации 1 мкм, выполненного полностью на волокне с поддержкой поляризации без компенсации нормальной дисперсии резонатора. Лазеры отличаются температурной и поляризационной стабильностью выходящего излучения.

2) Разработана программа для математического моделирования путем численного решения нелинейного уравнения Шредингера, описывающая распространение импульсного излучения в нелинейной среде. С помощью этой программы промоделированы условия генерации и параметры излучения волоконных осцилляторов, представленных ранее. Результаты

19

программы с хорошей точностью описывают экспериментальные данные и дают возможность проследить эволюцию временных и спектральных характеристик импульса в резонаторе.

3) Проведен количественный и качественный анализ изготовленных в ИПХФ РАН пленочных образцов композитных материалов на основе карбоксиметилцеллюлозы с одностенными углеродными нанотрубками и с графеном. С помощью методик р- и z-сканирования изучены свойства оптического насыщающегося поглощения образцов и проведено их сравнение. Используя полученные данные, определен диапазон интенсивностей, в котором могут работать данные модуляторы.

4) Основываясь на полученных данных, предложена схема комбинированной синхронизации мод в волоконном лазере на основе эффекта нелинейного вращения поляризации и насыщающемся поглощении одностенных углеродных нанотрубок.

5) Используя предложенный комбинированный способ синхронизации мод, разработан волоконный лазер на длине волны 1 мкм без компенсации нормальной дисперсии резонатора. Исследованы режимы работы лазера с комбинированной синхронизацией мод. На основе полученных данных сделаны выводы о совместном влиянии модулятора ОУНТ-КМЦ и эффекта НВП на режим импульсной генерации.

Список публикаций по теме диссертации

1) Khudyakov D.V., Borodkin A.A., Lobach A.S., Vartapetov S.K. All-normal dispersion Yb-doped ultrafast fiber laser at 1067 nm // 6th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and their Applications, 15th International Conference "Laser Optics-2012" (25-29 June 2012, St. Petersburg, Russia).

2) Khudyakov D.V., Borodkin A.A., Lobach A.S., Ryzhkov A.V., Vartapetov S.K. Saturable absorption of film composites with single-walled carbon nanotubes and graphene // Appl. Opt. 2013. V. 52. No. 2. P. 150-154.

3) Худяков Д.В., Бородкин A.A., Лобач A.C., Вартапетов C.K. Сравнительная характеристика насыщающегося поглощения многослойного графена, полученного механическим отслоением и термическим ударом интеркалированного графита // Научная сессия МИФИ - 2014, Сборник научных трудов 2014.2014. Т.2. С. 11.

4) Бородкин А.А., Худяков Д.В., Вартапетов С.К. Субнаносекундный иттербиевый лазер с нелинейным зеркалом полностью на волокне с поддержкой поляризации // Труды 57-й научной конференции МФТИ с международным участием, Всероссийской научной конференции с международным участием "Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных наук в области физики". 2014. С. 69-71.

5) Бородкин А.А., Худяков Д.В., Вартапетов С.К. Субнаносекундный мегагерцовый иттербиевый лазер полностью на волокне с поддержкой поляризации // IV международная конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов. 2014. С. 86-87.

6) Бородкин А.А., Худяков Д.В., Вартапетов С.К. Генерация пикосекундных импульсов в волоконном иггербиевом лазере с нелинейным волоконным зеркалом (эксперимент и математическое моделирование) // Квант, электроника. 2015. Т. 45. № 2. С. 98-101.

7) Бородкин А .А., Худяков Д.В., Вартапетов С.К. Модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками // Патент РФ № 2485562. 2013.

8) Худяков Д.В., Вартапетов С.К., Бородкин А.А. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса // Патент РФ № 2540064. 2015.

9) Худяков Д.В., Вартапетов С.К., Бородкин А.А. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса // Патент РФ № 2540484. 2015.

Список литературы

[1] Mollenauer L.F., Gordon J.P., Islam M.N. Soliton propagation in long fibers with periodically compensated loss // IEEE J. Quantum Electron. 1986. V. 22. P. 157173.

[2] Nicholson J.W., Ramachandran S„ Ghalmi S. A passively-modelocked, Yb-doped, figure-eight, fiber laser utilizing anomalous-dispersion higher-order-mode fiber // Opt. Exp. 2007. V. 15. P. 6623-6628.

[3] IIday F.O., Buckley J.R., Lim H„ Wise F.W., Clark W.G. Generation of 50-fs, 5-nJ pulses at 1.03 цт from a wave-breaking-free fiber laser // Opt. Lett. 2003. V. 28. P. 1365-1367.

[4] Katz O., Sintov Y. Strictly all-fiber picosecond ytterbium fiber laser utilizing chirped-fiber-Bragg-gratings for dispersion control // Opt. Commun. 2008. V. 281. P. 2874-2878.

[5] Haus H.S., Tamura K„ Nelson L.E., Ippen E.P. Stretched-Pulse additive pulse mode-locking in fiber ring lasers: theory and experiment // IEEE J. Quantum Electr. 1995. V. 31. No. 3. P. 591-598.

[6] Bucley J.R., Wise F.W., Ilday F.O., Sosnowski T. Femtosecond fiber lasers with pulse energies above 10 nJ // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 1888-1890.

[7] Chong A., Renninger W.H., Wise F.W. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser with pulse energy above 20nJ // Opt. Lett. 2007. V. 32. P. 2408-2410.

[8] Ozgoren K„ Oktem В., Yilmaz S„ Ilday F„ Eken K. 83 W, 3.1 MHz, square-shaped, 1 ns-pulsed all-fiber-integrated laser for micromachining // Opt. Express. 2011. V. 19. P. 17647-17652.

[9] Aguergaray С., Broderick G. R„ ErkintaJo M„ Chen S. Y„ Kruglov V. Mode-locked femtosecond all-normal all-PM Yb-doped fiber laser using a nonlinear amplifying loop mirror//Opt. Express. 2012. V. 20. P. 10545-10551.

[10] Sun Z„ Hasan Т., Torrisi F„ Popa D„ Privitera G„ Wang F„ Bonaccorso F„ Basko D.M., Ferrari A.C. Graphene Mode-Locked Ultrafast Laser // American Chemical Society. 2010. V. 4. P. 803-810.

[11] Kataura H., Kumazawa Y„ Maniwa Y., Umezu I., Suzuki S„ Ohtsuka Y„ Achiba Y. Optical properties of single-wall carbone nanotubes // Synth. Metals 1999 V 103 P. 2555-2558.

[12] Ozgoren K„ Ilday F.O. All-fiber all-normal dispersion laser with a fiber-based Lyot filter // Opt. Lett. 2010. V. 35. No. 8. P. 1296-1298.

[13] Chong A, Buckley J., Renninger W„ Wise F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser//Opt. Exp. 2006. V. 14.No.21.P. 10095-10100.

[14] Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. - М.: Мир, 1996. - 323 с.

[15] Sheik-Bahae М„ Wei А.А., Hagan DJ„ Stryland E.W.V. Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam // IEEE J. Quantum Electronics 1990 V 26 P. 760-769.

[16] Garmire E. Resonant optical nonlinearities in semiconductors // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2000. V. 6. P. 1094-1110.

[17] Fong K.H., Kikuchi K„ Goh C.S., Set S.Y., Grange R„ Haiml M„ Schlatter A., Keller U. Solid-state Er:Yb:glass laser mode-locked by using single-wall carbon nanotube thin film // Opt. Lett. 2007. V. 32. P. 38-40.

[18] Schmidt A., Rivier S„ Steinmeyer G.„ Yim J.H, Cho W. В., Lee S„ Rotermund F., Pujol M.C., Mateos X., Aguilo M„ Diaz F„ Petrov V., Griebner U. Passive mode locking of Yb:KLuW using a single-walled carbon nanotube saturable absorber // Opt Lett 2008 V. 33. P. 729-731.

[19] Cho W.B., Yim J.H., Choi S.Y., Lee S„ Griebner U„ Petrov V., Rotermund F. Mode-locked self-starting Cnforsterite laser using a single-walled carbon nanotube saturable absorber // Opt. Lett. 2008. V. 33. P. 2449-2451.

[20] Xing G., Guo H„ Zhang X., Sum T.C., Huan C.H.A. The Physics of ultrafast saturable absorption in grapheme // Optics Express. 2010. V. 18. No. 5. P. 4564-4573.

[21] Yang H„ Feng X., Wang Q„ Huang H„ Chen W„ Wee A.T.S., Ji W. Giant Two-Photon Absorption in Bilayer Graphene // Nano Lett. 2011. V. 11. No. 7. P. 2622-2627.

[22] Thoen E.R., Koontz E.M., Joschko M„ Langlois P., Schibli T. R„ Kartner F. X., Ippen E. P., Kolodziejski L. A. Two-photon absorption in semiconductor saturable absorber mirrors // Appl. Phys. Lett. 1999. V.74. P. 3927-3939.

Подписано в печать: 26.09.2015г. Заказ № 9945 Тираж: 70 экз. Типография «ОПБ-Принт» ИНН 7715893757 107078, г. Москва, Мясницкий пр-д, д. 2/1 (495) 777 33 14 www.opb-print.ru