RU120285U1

RU120285U1 - Оптоволоконная система для усиления пикосекундных лазерных импульсов

Info

Publication number: RU120285U1
Application number: RU2012107987/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Олегович Золотовский; Дмитрий Игоревич Семенцов; Дмитрий Александрович Коробко; Сергей Геннадьевич Новиков; Олег Геннадьевич Охотников; Алексей Александрович Сысолятин; Андрей Александрович Фотиади
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-09-10

Abstract

Оптоволоконная система для усиления пикосекундных лазерных импульсов, включающая источник пикосекундных импульсов, связанного с источником диспергирующего элемента для сообщения импульсу частотной модуляции (чирпа), оптического волокна с нормальной дисперсией групповых скоростей, легированного редкоземельными ионами, источника накачки, мультиплексора, через который к легированному редкоземельными ионами оптическому волокну подключаются выход диспергирующего элемента и источник накачки, компрессора для погашения частотной модуляции, сжатия длительности импульса и увеличения его пиковой мощности, подключаемого к выходу легированного редкоземельными ионами оптоволокна, состоящего из пассивного оптического волокна с аномальной дисперсией групповых скоростей, отличающаяся тем, что значение дисперсии групповых скоростей в легированном редкоземельными ионами оптическом волокне экспоненциально растет с длиной волокна.

Description

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике оптических волоконных усилителей.

Известен способ и устройство (Patent US 6,990,270 В2 Nicholson) для усиления пикосекундных лазерных импульсов, состоящее из 1) источника пикосекундных импульсов; 2) диспергирующего элемента для сообщения импульсу частотной модуляции (чирпа); 3) волокна, с постоянной нормальной дисперсией групповых скоростей (ДГС), легированного редкоземельным ионом; 4) источника накачки, например, полупроводникового лазера, используемого для создания в легированном волокне инверсной заселенности; 5) компрессора, т.е эффективного дисперсионного элемента для «погашения» частотной модуляции и, соответственно, сжатия длительности импульса и увеличения его пиковой мощности. В роли этого элемента могут быть использованы пассивное оптическое волокно с аномальной дисперсией и малой кубической (керровской) нелинейностью либо пара дифракционных решеток.

Данное изобретение взято в качестве прототипа.

При этом известно, что распространение ультракоротких импульсов в активном нелинейном оптическом волокне, описывается нелинейным уравнением Шредингера (НУШ) с усилением:

Здесь A (z, τ) - медленно-меняющаяся амплитуда импульса, D(z) - ДГС волокна, R(z) - коэффициент керровской (кубической) нелинейности и g(z) коэффициент усиления световода, z - координата импульса в волноводе, τ - время в сопутствующей импульсу системе координат.

Известно, что форма частотно-модулированного (ЧМ) ультракороткого лазерного импульса, распространяющегося в усиливающем оптическом волокне с постоянной нормальной ДГС, асимптотически стремится к параболическому виду, масштабирующемуся с ростом координаты импульса (Patent US 2004/0028326 A1, Fermann et al). В этом случае принято говорить о самоподобном (симиляритонном) усилении импульса. Характерной чертой этого процесса является сохранение параболическим импульсом постоянной скорости частотной модуляции α. Условием существования и устойчивости усиливаемого самоподобного ЧМ оптического импульса (симиляритона) в оптических волокнах с постоянной нормальной ДГС является соотношение между скоростью частотной модуляции импульса α, коэффициентом усиления g и значением ДГС волокна D:

g=3αD.

Известно, что доступные источники пикосекундных импульсов, которые могут быть использованы для получения симиляритонных ЧМ импульсов, как правило, обеспечивают (после прохождения дополнительных диспергирующих элементов) скорость частотной модуляции α не больше 10²³-10²⁴ с^-2. Значения ДГС в используемых усиливающих оптических волокнах (например, легированных Еr³⁺) не превышают 3·10^-26 с²/м (У.Г.Ахметшин, В.А.Богатырев, А.К.Сенаторов, А.А.Сысолятин, М.Г.Шалыгин, Квант. электроника, 33, (3) 265-267 (2003), A.Latkin, S.K.Turitsyn and A.Sysoliatin, Optics Letters, 32, (6) 331-333 (2007)). Как следствие, коэффициент усиления активного однородного оптического волокна, должен быть существенно меньше 0,1 м^-1, и для увеличения энергии импульса более чем на порядок длина волокна должна составлять десятки и сотни метров.

Из экспериментов с оптическими волокнами, легированными эрбием (А.Ю.Плоцкий, А.А.Сысолятин, А.И.Латкин, В.Ф.Хопин, П.Харпер, Дж.Харрисон, С.К.Турицын. Письма в ЖЭТФ, 85, (7) 397-401 (2007)), а также из результатов численного моделирования (Абдуллаев Ф.Х., Навотный Д.В. Письма в ЖТФ. 28, (22) 39-44 (2002)) известно, что самоподобные ЧМ импульсы весьма чувствительны к флуктуациям инкремента усиления и вариациям диаметра активного оптического волокна. В силу этого обстоятельства использование длинного (более 100 метров) оптического волокона для значительного (более чем на порядок) увеличения энергии импульса представляется затруднительным. Последнее является существенным недостатком схем усиления, построенных на базе таких оптических волокон.

Для устранения указанного недостатка предлагается данная полезная модель.

Цель: разработать оптическую волоконную систему для усиления энергии ультракоротких ЧМ импульсов более чем в 10 раз с длиной активного легированного волокна не более 3 м.

Технический результат: добиться повышения энергии ультракороткого ЧМ оптического импульса на выходе оптоволоконной системы более чем на порядок, используя активное волокно с нормальной ДГС длиной менее 3 м, что позволит соблюсти требования на вариацию диаметра волокна и флуктуации коэффициента усиления.

Технический результат достигается за счет высокого значения коэффициента усиления (g>1 м^-1) при использовании волокна с заданным профилем дисперсии групповых скоростей, обеспечивающем существование и устойчивость усиливаемого импульса параболической формы, при этом повышение энергии ЧМ импульса более чем на порядок происходит в укороченном, по сравнению с известными оптоволоконными системами активном оптическом волокне с нормальной ДГС.

Авторами был проанализирован процесс распространения ультракоротких импульсов в активном нелинейном волокне с нормальной дисперсией, с изменяющимися по длине волокна показателями ДГС и нелинейности (I.О.Zolotovskii et al., International Journal of Optics, Vol 2012, ID 979632). Этот процесс описывается нелинейным уравнением Шредингера с усилением с переменными коэффициентами D(z), R(z), g(z). Анализ показал, что условие существования самоподобных ЧМ импульсов параболического типа в активном волокне с постоянной нормальной ДГС переходит в этом случае в обыкновенное дифференциальное уравнение первой степени с переменными коэффициентами (типа Бернулли) для функции D(z).

В случае оптических волокон с радиальным «W-профилем» показателя преломления (У.Г.Ахметшин, В.А.Богатырев, А.К.Сенаторов, А.А.Сысолятин, М.Г.Шалыгин, Квант. электроника, 33, (3) 265-267 (2003)) и постоянного по длине волокна коэффициента усиления g, получено решение данного уравнения

которое является условием существования самоподобных параболических импульсов в активных оптических волокнах данного типа. Здесь D₀ - значение ДГС на входе в волокно (при z=0). Можно сделать вывод, что эффективное быстрое усиление ЧМ импульса возможно в случае g>3αD₀, при этом нормальная ДГС растет с длиной волокна. На Фиг.1 изображены профили дисперсии групповых скоростей, обеспечивающие существование ЧМ параболических импульсов в оптическом волокне с фиксированным значением D₀=2·10^-27c²/м и значениями: α=10^-24 s^-2, g=(1-0.5; 2-1.0; 3-1.5) м^-1(a) и g=1 м^-1, α=(1-10²³, 2-10²⁴, 3-10²⁵) с^-2 (b). Графики отношения D(z)/D₀ (для небольших z), показывают, что в активном волокне поддерживается режим самоподобного распространения импульса. Можно видеть быстрый (экспоненциальный) рост ДГС на длине менее 3 м при характерных для рассматриваемой проблемы значениях коэффициента усиления, скорости частотной модуляции, и начальной ДГС легированного волокна.

Энергия самоподобного импульса при прохождении активного волокна с постоянным коэффициентом усиления растет экспоненциально: W_S=W₀exp(2gz), что в данном случае (для z<3) близко к задаваемому нами для волокна профилю роста ДГС D(z)/D₀.

Способы производства волокон с заданным по длине профилем ДГС в настоящее время известны, они позволяют изготовлять световоды с ростом ДГС по длине на 2 порядка, что в результате (при необходимом коэффициенте усиления) приводит к соответствующему росту энергии усиливаемого ЧМ импульса.

На фиг.2. представлена оптоволоконная система для усиления пикосекундных лазерных импульсов, включающая источник пикосекундных импульсов, связанного с источником диспергирующего элемента для сообщения импульсу частотной модуляции (чирпа), оптического волокна с нормальной дисперсией групповых скоростей, легированного редкоземельными ионами, источника накачки, мультиплексора, через который к легированному редкоземельными ионами оптическому волокну подключаются выход диспергирующего элемента и источник накачки, компрессора для погашения частотной модуляции, сжатия длительности импульса и увеличения его пиковой мощности, подключаемого к выходу легированного редкоземельными ионами оптоволокна, состоящего из пассивного оптического волокна с аномальной дисперсией групповых скоростей. При этом значение дисперсии групповых скоростей в легированном редкоземельными ионами оптическом волокне экспоненциально растет с длиной волокна. Это позволяет получить оптоволоконный усилитель с высоким (более чем на порядок) увеличением энергии импульса при помощи укороченного активного световода (длиной менее 3 м).