CC BY
18НЕЛИНЕЙНАЯ КОМПРЕССИЯ СПЕКТРА ОТРИЦАТЕЛЬНО ЧИРПИРОВАННЫХ ПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОМ СВЕТОВОДЕ
СО СМЕЩЕННОЙ ДИСПЕРСИЕЙ
*
Крылов А.А. , Сенаторов А.К., Яценко Ю.П.
Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16098
В настоящее время сфера применений источников ультракоротких лазерных импульсов (УКИ) охватывает различные области науки, техники и медицины [1]. При этом в связи с бурным развитием волоконно-оптических технологий, все более широкое распространение получают источники УКИ на основе активных световодов, легированных ионами эрбия (Er3+), которые излучают ~100 фс импульсы в телекоммуникационном диапазоне спектра (вблизи 1.55 мкм) [2,3]. Однако помимо УКИ фемтосекундной длительности, также востребованы спектрально-ограниченные пикосекундные лазерные импульсы, которые, обладая высокой яркостью, могут, в частности, применяться в биофотонике с целью увеличения спектрального разрешения [4], и при создании мощных лазерных систем [5]. В этой связи, стоит отметить, что генерация спектрально-ограниченных импульсов длительностью от нескольких десятков до сотен пикосекунд непосредственно в волоконном лазере представляется довольно трудной задачей, тем более, если необходима перестройка их длительности в таких широких пределах. Тем не менее, эта проблема может быть решена с помощью нелинейного сжатия изначально широкого спектра (то есть, перераспределения энергии с периферии в центральную его часть) за счет фазовой самомодуляции (ФСМ) в световодах с положительной дисперсией групповых скоростей (ДГС) в случае распространения по ним пикосекундных лазерных импульсов с предварительно наведенной отрицательной частотной модуляцией (отрицательным чирпом) посредством дисперсионных линий задержки, таких как призмы, дифракционные решетки и, разумеется, световоды [6-8]. При этом в качестве источника можно использовать стандартные лазеры и усилители, излучающие спектрально-ограниченные фемтосекундные импульсы с гауссовым или солитонным (sech2) профилем огибающей.
Суть этого явления состоит в компенсации линейного отрицательного чирпа входящих в световод импульсов нелинейной положительной частотной модуляцией, индуцируемой ФСМ в процессе их распространения при незначительном изменении длительности, что сопровождается сжатием спектра, которое в идеальном случае завершается при достижении импульсом условия спектральной ограниченности [6-8]. В свою очередь, вследствие того, что сам механизм сжатия спектра является существенно нелинейным, данная методика генерации спектрально-ограниченных пикосекундных импульсов сопряжена с необходимостью тщательной оптимизации параметров как самого лазерного импульса (пиковая мощность, форма огибающей), так и нелинейного световода (ДГС, коэффициент нелинейности, длина) с целью максимизации коэффициента спектрального сжатия, а также, что немаловажно, повышения его качества, определяемого как доля энергии в сжатом спектральном пике (параметр Штреля) [6-8]. Так, благодаря оптимизации энергии отрицательно-чирпированных импульсов на длине волны 1552.5 нм, было реализовано 12-ти кратное сжатие исходного параболического спектра с параметром Штреля около 0.5, на выходе нелинейного световода длиной 1 км с ДГС вг=+0.96 пс2/км и аттенюацией 1 дБ/км, что соответствовало генерации практически спектрально-ограниченных импульсов (отклонение около 12%) длительностью «70 пс [6], являясь одним из лучших результатов с точки зрения соотношения коэффициента сжатия и качества сжатого спектра, опубликованных к настоящему моменту.
В представленной работе, экспериментально и теоретически исследована нелинейная компрессия спектра отрицательно-чирпированных гауссовых импульсов пикосекундной длительности на центральной длине волны вблизи 1560 нм за счет фазовой самомодуляции при их распространении в телекоммуникационном световоде SMF-LS в условиях малой положительной дисперсии групповых скоростей.
Положительно-чирпированные гауссовы импульсы длительностью «25 пс и максимальной энергией 759 нДж на длине волны «1560 нм, с выхода мощного полностью волоконного эрбиевого источника, созданного по стандартной схеме «задающий генератор-стретчер-усилитель» [9], направлялись в двухпроходную дисперсионную линию задержки на основе пары объемных поляризационно-независимых дифракционных решеток с плотностью штрихов 940 мм-1, которая вносила удельную отрицательную ДГС р2= -119 пс2/м и потери «1 дБ. Варьирование длительности
196 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
импульсов и, соответственно управление их чирпом, осуществлялось посредством изменения расстояния между решетками; при этом импульсы приобретали отрицательную частотную модуляцию, если расстояние между решетками превосходило AL=11 см, что соответствовало точке дечирпирования (минимальной длительности) импульса. Далее отрицательно -чирпированные импульсы вводились в телекоммуникационный световод SMF-LS (LEAF Submarine, @CORNING Corp.) с малой положительной ДГС р2= +2.45 пс2/км (длина волны нулевой дисперсии ^zd=1570 нм) и аттенюацией менее 0.25 дБ/км на длине волны 1560 нм. Необходимо особо подчеркнуть, что пиковая мощность (и, соответственно, энергия) импульсов имеет решающее значение в процессе нелинейного сжатия спектра, полностью определяя его динамику и характеристики импульсов на выходе световода. Поэтому для прецизионного управления энергией импульсов, сразу на выходе дисперсионной линии задержки в коллимированном пучке, устанавливался аттенюатор в виде щели с шириной, варьируемой посредством микрометрического винта с разрешением 10 мкм. Длина световода SMF-LS в процессе экспериментов варьировалась от 3 м до «530 м в зависимости от длительности отрицательно-чирпированных импульсов на входе. Спектры на выходе нелинейного световода регистрировались спектроанализатором ANDO с максимальным разрешением 0.01 нм.
Автокорреляционные функции (АКФ) интенсивности дечирпированного импульса длительностью 0.4пс и отрицательно-чирпированного максимальной длительностью 38 пс (AL=25 см) на выходе дисперсионной линии задержки показаны на Рис.1а. В свою очередь, на Рис.1б представлены спектры импульсов на входе (AA,«10 нм) и выходе (AA,«0.23 нм) световода SMF-LS длиной 530 м при оптимальной энергии импульсов 2.1 нДж, что соответствует коэффициенту сжатия спектра С«43 и параметру Штреля (доля энергии в сжатом пике) S«0.5. Стоит также отметить, что ДГС световода, вклад которой может рассматриваться в данном случае как малая поправка к действию нелинейности, играет, тем не менее, важную роль в процессе нелинейного сжатия спектра, способствуя улучшению его качества [7].
® 0.8 S
38 пс
&
о Я
-20 0 20 Задежка (пс)
1560 1570
Длина волны (нм)
Рис.1. АКФ интенсивности дечирпированного и отрицательно-чирпированного импульсов на выходе дисперсионной линии задержки (а); спектры 38-пс импульсов на входе и выходе нелинейного световода длиной 530м при оптимальной энергии 2.1 нДж (б). Вставка: спектры в логарифмическом масштабе
Таким образом, в результате оптимизации длины нелинейного световода, а также энергии входных гауссовых импульсов максимальной длительностью 38 пс, реализовано «43-кратное сжатие исходного спектра шириной около 10 нм с долей энергии в сжатом пике шириной «0.23 нм около 0.5, что, значительно превосходит все предыдущие результаты по коэффициенту сжатия спектра при соразмерном его качестве в телекоммуникационном диапазоне спектра.
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 19-12-00361. Литература
1. 2.
3.
4.
5.
Diddams S, J. Opt. Soc. Am. B 27, B51-B62 (2010)
http://avesta.ru/products/lasers/femtosekundnie-volokonnie-laseri/
http://www.menlosystems.de/
Andresen E, et al, Opt. Lett. 31, 1328-1330 (2006)
Limpert J., et al, Appl. Phys. B 74, 191-195 (2002)
Fatome J, et al, Appl. Opt. 51, 4547-4553 (2012)
Finot C ., et al, J. Opt. Soc. Am. B 33, 760-767 (2016)
Andresen E, et al, Opt. Lett. 36, 707-709 (2011)
Krylov A., et al, Las. Phys. Lett. 14, 035104 (2017)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
197
1.0
1.0
0.6-
0.4
0.4-
0.2-
0.0
0.0
