RU118447U1

RU118447U1 - CASCADE FIBER OPTICAL SYSTEM FOR TEMPORARY COMPRESSION OF PULSES

Info

Publication number: RU118447U1
Application number: RU2012107986/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Олегович Золотовский; Сергей Геннадьевич Новиков; Дмитрий Игоревич Семенцов
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-07-20

Abstract

Волоконно-оптическая система для временного сжатия импульсов, включающая усиливающие и пассивные оптические волокна, отличающаяся тем, что представляет собой каскад, первой секцией которого является усиливающее оптическое волокно с комплексной отрицательной дисперсией групповых скоростей, а второй - пассивное оптическое волокно с малой нелинейностью и вещественной дисперсией групповых скоростей, при этом режим временного сжатия импульсов реализуется в случае положительного произведения скорости частотной модуляции на выходе из первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции и отрицательного произведения действительной части дисперсии групповых скоростей первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции, а для максимального сжатия импульса длина первой секции выбирается из условия максимально возможного значения скорости частотной модуляции на выходе из нее. Fiber-optic system for temporary compression of pulses, including amplifying and passive optical fibers, characterized in that it is a cascade, the first section of which is an amplifying optical fiber with complex negative dispersion of group velocities, and the second is a passive optical fiber with low nonlinearity and material dispersion group velocities, while the mode of temporary pulse compression is realized in the case of a positive product of the frequency modulation rate at the output of ne the first section and the group velocity dispersion of the second section and the negative product of the real part of the group velocity dispersion of the first section and the group velocity dispersion of the second section, and for maximum pulse compression the length of the first section is selected from the condition of the maximum possible value of the frequency modulation speed at the output from it.

Description

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике лазеров, оптических усилителей и систем управления лазерным излучением.The utility model relates to the field of optics, in particular to the technology of lasers, optical amplifiers and laser radiation control systems.

Известен оптический компрессор ультра-коротких (субпикосекундных) импульсов источника света (US 7769262), имеющий оптический генератор импульсов, излучающий короткий импульс света, оптический усилитель для усиления короткого светового импульса от оптического генератора импульсов и оптический компрессор для сжатия коротких световых импульсов. Оптический компрессор имеет многоступенчатую конфигурацию, состоящую из поляризационных сплиттеров, оптических волокон для сжатия падающего светового импульса, элементов, вращающих плоскость поляризация на 90 градусов для возврата излучения в оптические волокна, оптического волокна с сохраняющейся поляризацией, подключаемого на выход поляризационного сплиттера на предыдущей ступени и на вход поляризационного сплиттера на последующей ступени.A known optical compressor for ultra-short (subpicosecond) light source pulses (US 7,769,262), having an optical pulse generator emitting a short light pulse, an optical amplifier for amplifying a short light pulse from an optical pulse generator, and an optical compressor for compressing short light pulses. The optical compressor has a multi-stage configuration consisting of polarization splitters, optical fibers for compressing the incident light pulse, elements rotating the plane of polarization by 90 degrees to return radiation to optical fibers, an optical fiber with preserved polarization, connected to the output of the polarizing splitter at the previous stage and at the input of the polarization splitter in the next step.

Известен компрессор оптических импульсов с блоком частотной модуляции (ЧМ) (US 2009/0190893), включающий оптическое волокно с нормальной дисперсией групповых скоростей, обеспечивающее положительный чирп входному импульсу и компенсатор дисперсии с оптическим волокном с аномальной дисперсией групповых скоростей. Нелинейный коэффициент и абсолютное значение дисперсии групповых скоростей второго порядка оптического волокна с аномальной дисперсией, составляющего компенсатор дисперсии устанавливается так, что порядок солитона становится больше или равным 1, а длина оптического волокна с аномальной дисперсией групповых скоростей должна быть меньше или равна, длине необходимая для образования оптического солитона.A known optical pulse compressor with a frequency modulation unit (FM) (US 2009/0190893), comprising an optical fiber with normal group velocity dispersion, providing a positive input pulse chirp and a dispersion compensator with an optical fiber with anomalous group velocity dispersion. The nonlinear coefficient and the absolute value of the dispersion of group velocities of the second order of an optical fiber with anomalous dispersion constituting the dispersion compensator is established so that the order of the soliton becomes greater than or equal to 1, and the length of the optical fiber with anomalous dispersion of group velocities should be less than or equal to the length required for the formation optical soliton.

В качестве оптических волокон для сжатия светового импульса в данных схемах использованы нелинейные оптические волокна, в которых может существовать модуляционная неустойчивость и процессы распада волнового пакета, что не позволяет осуществить самосжатие импульсов малой мощности (существенно меньше 10 мВт) без начальной частотной модуляции.Nonlinear optical fibers are used as optical fibers for compressing a light pulse in these schemes, in which modulation instability and wave packet decay processes can exist, which does not allow self-compression of low-power pulses (substantially less than 10 mW) without initial frequency modulation.

Цель данной полезной модели заключается в реализации временного сжатия оптических импульсов сколь угодно малой мощности без начальной частотной модуляции до субпикосекундных (менее 10^-12 сек) длительностей в линейных волоконно-оптических структурах для построения импульсных лазерных систем и усилителей.The purpose of this utility model is to realize the temporary compression of optical pulses of arbitrarily low power without initial frequency modulation to subpicosecond (less than 10 ^-12 sec) durations in linear fiber-optic structures for constructing pulsed laser systems and amplifiers.

Технический результат: снижение длительности маломощного (менее 10 мВт) спектрально-ограниченного оптического импульса с исходной длительностью свыше 100 пико секунд на выходе волоконно-оптической системы, до длительностей менее 1 пикосекунды, а также упрощение конструкции оптического компрессора.EFFECT: reduced duration of a low-power (less than 10 mW) spectrally-limited optical pulse with an initial duration of more than 100 picoseconds at the output of a fiber-optic system to durations less than 1 picosecond, as well as simplification of the design of the optical compressor.

Достижение технического результата возможно за счет использования каскадной схемы, первой секцией которой является усиливающее оптическое волокно с реализованной комплексной дисперсией групповых скоростей, а второй - пассивное (не усиливающее с малыми потерями) оптическое волокно с вещественной дисперсией групповых скоростей, при этом режим временного сжатия импульсов реализуется в случае положительного произведения скорости частотной модуляции на выходе из первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции и отрицательного произведения действительной части дисперсии групповых скоростей первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции. Для максимального сжатия импульса длина первой секции выбирается из условия максимально возможного значения скорости частотной модуляции на выходе из нее. Описание полезной модели:The achievement of the technical result is possible through the use of a cascade scheme, the first section of which is an amplifying optical fiber with realized complex group velocity dispersion, and the second is a passive (not amplifying with low losses) optical fiber with material group velocity dispersion, while the temporary pulse compression mode is implemented in the case of a positive product of the frequency modulation rate at the output of the first section and the dispersion of group speeds of the second section and negative th product of the real part of the dispersion of group velocities of the first section and the dispersion of group velocities of the second section. For maximum pulse compression, the length of the first section is selected from the condition of the maximum possible value of the frequency modulation rate at the output from it. Description of utility model:

Предлагается каскадная волоконно-оптическая система получения коротких оптических импульсов за счет сжатия оптического излучения в однородной световедущей среде - каскадном оптическом волокне, состоящем из последовательности активных (с усилением) и пассивных оптических волокон, для которых значения мнимых и действительных составляющих дисперсионных параметров k=k′-ik′′ - первого и D=D′-iD′′ - второго порядков являются постоянными величинами. Первый дисперсионный параметр определяет групповую скорость, а второй - дисперсию групповых скоростей волнового пакета.A cascade fiber-optic system for producing short optical pulses by compressing optical radiation in a homogeneous light guide medium - a cascade optical fiber consisting of a sequence of active (with amplification) and passive optical fibers for which the imaginary and real components of the dispersion parameters k = k ′ -ik ′ ′ - of the first and D = D′-iD ′ ′ - of the second order are constant values. The first dispersion parameter determines the group velocity, and the second, the dispersion of the group velocities of the wave packet.

Данная каскадная схема сжатия оптического излучения является продолжением техники усиления чирпированных импульсов, применяемой для ослабления влияния нелинейно-оптических явлений на процессы генерации, усиления и передачи мощных сверхкоротких световых импульсов в мощных твердотельных лазерных системах. Согласно методике усиления чирпированных импульсов, световой импульс перед усилительной ступенью пропускается через устройство (стретчер), обеспечивающее увеличение длительности импульса. Соответствующее понижение пиковой мощности светового импульса позволяет значительно уменьшить влияние нелинейных эффектов на этапе усиления. Возникающая на этапе стретчирования модуляция фазы импульса компенсируется уже после усиления с помощью компрессора, формирующего сверхкороткий лазерный импульс.This cascade optical radiation compression scheme is a continuation of the chirped pulse amplification technique used to attenuate the influence of nonlinear optical phenomena on the generation, amplification, and transmission of high-power ultrashort light pulses in high-power solid-state laser systems. According to the technique of amplifying chirped pulses, a light pulse in front of the amplification stage is passed through a device (stretcher), which ensures an increase in the pulse duration. A corresponding decrease in the peak power of the light pulse can significantly reduce the influence of nonlinear effects at the amplification stage. The pulse phase modulation that occurs at the stage of stretching is compensated already after amplification with the help of a compressor that generates an ultrashort laser pulse.

Для импульса гауссовой формы, распространяющегося в каскадном оптическом волокне, предложены условия сжатия оптического излучения, с учетом возможного негативного влияния сопутствующего эффекта смещения несущей частоты (СНЧ). Предложенная каскадная схема решает проблему СНЧ, и предполагает получение в первом сегменте каскадного оптического волокна не короткого, а достаточно длинного импульса, с относительно малым значением максимума амплитуды огибающей и плотности энергии с большим значением скорости частотной модуляции. После придания импульсу как можно большей скорости ЧМ в первом сегменте (реализующем преимущественное усиление «крыльев» волнового пакета), импульс вводится во второй элемент, непосредственно в котором и осуществляется сжатие. При этом длина второго оптического волокна, на которой импульс становится спектрально ограниченным, совпадает с длиной, на которой длительность импульса становится минимальной.For a Gaussian pulse propagating in a cascade optical fiber, compression conditions for optical radiation are proposed, taking into account the possible negative effect of the accompanying effect of carrier frequency displacement (VLF). The proposed cascade scheme solves the ELF problem and involves obtaining in the first segment of the cascade optical fiber not a short, but rather long pulse, with a relatively small value of the maximum amplitude of the envelope and energy density with a large value of the frequency modulation rate. After giving the pulse as much FM speed as possible in the first segment (which implements the predominant reinforcement of the “wings” of the wave packet), the pulse is introduced into the second element, in which compression is carried out directly. The length of the second optical fiber, at which the pulse becomes spectrally limited, coincides with the length at which the pulse duration becomes minimal.

Для реализации больших степеней сжатия в одиночном усиливающем оптическом волокне необходимо достижение больших значений отношения величины абсолютного значения мнимой составляющей дисперсии групповых скоростей к действительной части дисперсии групповых скоростей чему имеется два существенных ограничения. Первое заключается в технологических трудностях, связанных с формированием требуемой формы линии усиления. Второе состоит в быстром развитии модуляционной неустойчивости при больших значениях соответствующей величины мнимой составляющей дисперсии групповых скоростей. Кроме того, сильное сжатие импульса непосредственно в усиливающей среде приведет к влиянию нелинейных эффектов, как правило, приводящих к дополнительным аберрациям. Указанные ограничения отсутствуют в предложенной каскадной схеме. Во-первых, величина действительной и мнимой частей дисперсии групповых скоростей не играет определяющей роли в реализации высоких степеней компрессии. Более того, при удержании несущей частоты внутри соответствующего отрицательному значению дисперсии групповых скоростей спектрального диапазона сильная компрессия может быть достигнута даже при малых значениях мнимой составляющей дисперсии групповых скоростей. Во-вторых, двухкаскадная схема компрессии работает тем эффективнее, чем большее спектральное уширение претерпевает импульс в усиливающем оптическом волокне. При этом снимаются ограничения связанные с возможным негативным влиянием нелинейных параметров. Кроме того, в предлагаемой схеме сжатия пассивное оптическое волокно может быть заменено дифракционной решеткой или другим диспергирующим элементом.To realize large compression ratios in a single amplifying optical fiber, it is necessary to achieve large values of the ratio of the absolute value of the imaginary component of the group velocity dispersion to the real part of the group velocity dispersion, which has two significant limitations. The first is the technological difficulties associated with the formation of the desired shape of the gain line. The second is the rapid development of modulation instability at large values of the corresponding magnitude of the imaginary component of the dispersion of group velocities. In addition, strong compression of the pulse directly in the amplifying medium will lead to the influence of nonlinear effects, as a rule, leading to additional aberrations. These restrictions are absent in the proposed cascade scheme. First, the magnitude of the real and imaginary parts of the dispersion of group velocities does not play a decisive role in realizing high degrees of compression. Moreover, if the carrier frequency is kept inside the group velocity velocity dispersion corresponding to a negative value of the spectral range dispersion, strong compression can be achieved even with small values of the imaginary component of the velocity dispersion of the group. Secondly, the two-stage compression scheme works the more efficiently, the greater the spectral broadening undergoes a pulse in the amplifying optical fiber. In this case, the restrictions associated with the possible negative influence of nonlinear parameters are removed. In addition, in the proposed compression scheme, the passive optical fiber can be replaced by a diffraction grating or other dispersing element.

Важным условием устойчивой работы предлагаемой системы является условие малости значения мнимой составляющей групповой скорости при большом значении мнимой составляющей дисперсии групповых скоростей.An important condition for the stable operation of the proposed system is the condition for a small value of the imaginary component of the group velocity with a large value of the imaginary component of the dispersion of group velocities.

Для интенсивности излучения, значительно меньшей насыщающей (что верно для импульсов малой мощности), величина инкремента усиления в рассматриваемом случае может быть задана соотношениемFor a radiation intensity that is much less saturating (which is true for low-power pulses), the gain increment in this case can be specified by the relation

где Δω=ω-ω_r - отстройка от частоты вынужденного перехода ω_r, ρ - сечение вынужденного перехода, N - концентрация активных частиц в отсутствии генерации, Δω_l - ширина спектральной линии. В этом случае, для мнимых составляющих дисперсионных параметров 1-ого и 2-ого порядков верны соотношенияwhere Δω = ω-ω _r is the detuning from the frequency of the forced transition ω _r , ρ is the cross section of the forced transition, N is the concentration of active particles in the absence of generation, Δω _l is the width of the spectral line. In this case, for the imaginary components of the 1st and 2nd order dispersion parameters, the relations

Для сжатия вводимого в оптическое волокно спектрально ограниченного импульса необходимо выполнение условия D"<0. Из (2) и (3) следует возможность выполнения этого условия при выборе несущей частоты таким образом, чтобы отстройка от резонансной частоты составляла На фиг.1 приведены частотные зависимости дисперсионных параметров k′′ и D′′ (кривые 1, 2) построенные на основе соотношений (2) и (3) для следующих типичных для активных световодов значений входящих в них параметров: ρ=2·10^-24 м², N=5·10²⁵м^-3, ω_r=1.8·10¹⁵ с^-1, Δω_l=0.5·10¹² с^-1. Видно, что в области отрицательности D′′ параметр k′′ может быть близок к своим экстремальным значениям, поэтому смещение несущей частоты Ω_S может оказаться значительным и в результате несущая частота затягивается в центр линии усиления, где k′′≅0 и D′′>0.To compress a spectrally limited pulse introduced into an optical fiber, it is necessary to satisfy the condition D "<0. From (2) and (3) it follows that this condition can be satisfied when choosing the carrier frequency so that the detuning from the resonant frequency is Figure 1 shows the frequency dependences of the dispersion parameters k ′ ′ and D ′ ′ (curves 1, 2) constructed on the basis of relations (2) and (3) for the following values of the parameters that are typical for active optical fibers: ρ = 2 · 10 ^-24 m ² , N = 5 · 10 ²⁵ m ^-3 , ω _r = 1.8 · 10 ¹⁵ s ^-1 , Δω _l = 0.5 · 10 ¹² s ^-1 . It can be seen that in the negative region D ′ ′, the parameter k ′ ′ can be close to its extreme values; therefore, the shift of the carrier frequency Ω _S can turn out to be significant and, as a result, the carrier frequency is pulled to the center of the gain line, where k′′≅0 and D ′ ′> 0.

Таким образом, в рамках модели одиночной лоренцевой линии усиления реализовать механизм временного сжатия, связанный с фазовой модуляцией за счет мнимой составляющей параметра дисперсии групповых скоростей, оказывается достаточно проблематичным.Thus, in the framework of the model of a single Lorentzian gain line, it is quite problematic to realize the temporal compression mechanism associated with phase modulation due to the imaginary component of the group velocity dispersion parameter.

Принципиально иная ситуация может быть получена в том случае, если линия усиления среды является более сложной и содержит локальный минимум; например, среда аппроксимируется суммой двух лоренцевых осцилляторов. В этом случае, для коэффициента усиления имеем:A fundamentally different situation can be obtained if the medium gain line is more complex and contains a local minimum; for example, the medium is approximated by the sum of two Lorentzian oscillators. In this case, for the gain we have:

где величина f_i=N_i/N определяет вклад в общую кривую усиления соответствующей группы осцилляторов и f₁+f₂=1. На фиг.2 приведены частотные зависимости параметров k′′ и D′′ (кривые 1 и 2) для значений входящих в (4) параметров: f₁=0.55, f₂=0.45, ω_r1=1.8·10¹⁵ c^-1, ω_r2=1.802·10^l5c^-1, Δω_l1=6·10¹¹ c^-1, Δω_l2=5.5·10¹¹ c^-1, ρ_iN=10² м^-1. Из приведенных кривых видно, что при выбранных параметрах имеется возможность подобрать несущую частоту ω=ω_S таким образом, чтобы с одной стороны k′′=0, а с другой - D′′<0.where f _i = N _i / N determines the contribution to the overall gain curve of the corresponding group of oscillators and f ₁ + f ₂ = 1. Figure 2 shows the frequency dependences of the parameters k ′ ′ and D ′ ′ (curves 1 and 2) for the values of the parameters included in (4): f ₁ = 0.55, f ₂ = 0.45, ω _r1 = 1.8 · 10 ¹⁵ s ^-1 , ω _r2 = 1.802 · 10 ^l5 s ^-1 , Δω _l1 = 6 · 10 ¹¹ s ^-1 , Δω _l2 = 5.5 · 10 ¹¹ s ^-1 , ρ _i N = 10 ² m ^-1 . It can be seen from the curves that, with the selected parameters, it is possible to select the carrier frequency ω = ω _S in such a way that k ′ ′ = 0 on the one hand and D ′ ′ <0 on the other.

Кроме того, следует отметить, что реальные активные (поглощающие) среды не могут быть описаны «идеальной» лоренцевой линией, и практически всегда имеют достаточно большое число локальных экстремумов. Одним из наиболее технологичных способов реализации предложенной схемы может стать перестраиваемый рамановский мультиволновой усилитель реализующий широкополосное усиление (или модуляцию) волнового пакета в условиях когда k′′≅0 и D′′<0.In addition, it should be noted that real active (absorbing) media cannot be described by an “ideal” Lorentzian line, and almost always have a fairly large number of local extrema. One of the most technologically advanced ways to implement the proposed scheme can be a tunable Raman multi-wave amplifier that implements broadband amplification (or modulation) of the wave packet under conditions when k′′≅0 and D ′ ′ <0.

Таким образом, за счет использования каскадной схемы, первой секцией которой является усиливающее оптическое волокно с комплексной (отрицательной) дисперсией групповых скоростей, а второй - пассивное оптическое волокно с вещественной дисперсией групповых скоростей, режим временного сжатия импульсов реализуется в случае положительного произведения скорости частотной модуляции на выходе из первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции и отрицательного произведения действительной части дисперсии групповых скоростей первой секции и действительной части дисперсии групповых скоростей второй секции. Для максимального сжатия импульса длина первой секции выбирается из условия максимально возможного значения скорости частотной модуляции на выходе из нее, а второй секции таким образом, чтобы погасить скорость частотной модуляции в результате чего импульс становится спектрально ограниченным.Thus, through the use of a cascade scheme, the first section of which is an amplifying optical fiber with complex (negative) group velocity dispersion, and the second is a passive optical fiber with real group velocity dispersion, the mode of temporary pulse compression is realized in the case of a positive product of the frequency modulation rate by output from the first section and the dispersion of group velocities of the second section and the negative product of the real part of the dispersion of group velocities ne wail section and the real part of the group velocity dispersion of the second section. To maximize pulse compression, the length of the first section is selected from the condition of the maximum possible value of the frequency modulation speed at the output from it, and the second section so as to suppress the frequency modulation speed, as a result of which the pulse becomes spectrally limited.

На фиг.3 представлены зависимости скорости частотной модуляции и длительности импульса от пройденного по оптическому волокну расстояния при прямом (сплошные кривые) и обратном (пунктирные кривые) распространении импульса в случае оптимального составного каскада.Figure 3 shows the dependences of the frequency modulation rate and the pulse duration on the distance traveled along the optical fiber with forward (solid curves) and reverse (dashed curves) pulse propagation in the case of an optimal composite cascade.

Таким образом, учет дисперсионных параметров, связанных с комплексностью волновых чисел распространяющегося в каскаде излучения, указывает на возможность эффективного временного сжатия сколь угодно маломощного спектрально - ограниченного оптического импульса. Управляя параметрами оптического волокна, его длиной, а также вводимым излучением, каскадные световоды можно использовать для создания компактных компрессоров лазерного излучения, волоконных лазеров и высокоэффективных оптических фильтров.Thus, taking into account the dispersion parameters associated with the complexity of the wave numbers of the radiation propagating in the cascade indicates the possibility of effective temporal compression of an arbitrarily low-power spectrally-limited optical pulse. By controlling the parameters of the optical fiber, its length, as well as the input radiation, cascade optical fibers can be used to create compact laser radiation compressors, fiber lasers and highly efficient optical filters.

Claims

Fiber-optic system for temporary compression of pulses, including amplifying and passive optical fibers, characterized in that it is a cascade, the first section of which is an amplifying optical fiber with complex negative group velocity dispersion, and the second is a passive optical fiber with low nonlinearity and material dispersion group velocities, while the regime of temporary pulse compression is realized in the case of a positive product of the frequency modulation rate at the output of ne the first section and the group velocity dispersion of the second section and the negative product of the real part of the group velocity dispersion of the first section and the group velocity dispersion of the second section, and for maximum pulse compression, the length of the first section is selected from the condition of the maximum possible value of the frequency modulation speed at the output from it.