RU137427U1

RU137427U1 - LASER WITH FIBER BASED MODULATOR WITH DECREASING NORMAL DISPERSION

Info

Publication number: RU137427U1
Application number: RU2013142308/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Олегович Золотовский; Сергей Геннадьевич Новиков; Дмитрий Александрович Коробко
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2014-02-10

Abstract

Волоконный лазер с модулятором на основе волокна с уменьшающейся нормальной дисперсией, состоящий из источника накачки и кольцевого резонатора, образованного устройством ввода излучения накачки, активным волокном, легированным ионами редкоземельных элементов, оптическим изолятором, компрессионным элементом с аномальной дисперсией, насыщающимся поглотителем, устройством вывода излучения, одномодовым волокном - модулятором с нормальной дисперсией, отличающийся тем, что нормальная дисперсия волокна-модулятора снижается по длине по гиперболическому закону.A fiber laser with a modulator based on fiber with decreasing normal dispersion, consisting of a pump source and a ring resonator formed by a pump radiation input device, an active fiber doped with rare-earth ions, an optical isolator, a compression element with anomalous dispersion, a saturable absorber, a radiation output device, single-mode fiber modulator with normal dispersion, characterized in that the normal dispersion of the modulator fiber is reduced in length along g perbolicheskomu law.

Description

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам с нормальной дисперсией.The utility model relates to laser technology, in particular to normal dispersion fiber lasers.

Современные волоконные лазеры - источники ультракоротких импульсов могут быть поделены на две основные группы. Первую составляют лазеры с аномальной дисперсией резонатора. В лазерах этого типа нелинейность компенсирует дисперсионное расплывание оптических волновых пакетов, что в результате приводит к генерации устойчивых солитоноподобных импульсов короткой длительности. Недостатком таких лазеров является то, что при превышении пиковой мощностью импульса определенного порогового значения аномальная дисперсия резонатора не в состоянии полностью сбалансировать нелинейные эффекты. Это приводит к ограничению энергии отдельного импульса и многоимпульсным режимам генерации. Напротив, лазеры второй группы - с нормальной дисперсией резонатора - поддерживают генерацию импульсов с энергией, принципиально ограничиваемой лишь мощностью и шириной спектра накачки [“Fiber Lasers” Wiley-VHC Verlag & Co, ed. Okhotnikov O. G., 280 p. (2012)]. Одними из наиболее многообещающих лазеров этого типа являются симиларитонные лазеры, получившие название по типу генерируемых импульсов (в англоязычной литературе «similaritons»). Генерируемые в таких лазерах импульсы эволюционируют в резонаторе практически самоподобно и обладают высоким значением скорости частотной модуляции (чирпом). При погашении модуляции на элементе с аномальной дисперсией и минимальной нелинейностью (например, дифракционной решетке) генерируемый импульс может быть сильно сжат до субпикосекундной длительности, при этом его пиковая мощность может достигать десятков кВт и выше [F. O. Ilday, J. R. Buckley, W. G. Clark, and F. W. Wise, “Self-Similar Evolution of Parabolic Pulses in a Laser” Phys. Rev. Lett. Vol. 92, 213902 (2004)]. Таким образом, симиларитонные лазеры с нормальной дисперсией резонатора перспективны в качестве источников ультракоротких импульсов высокой пиковой мощности. Данная полезная модель предлагает усовершенствование схемы лазеров этого типа. Использование волокна-модулятора с нормальной дисперсией, уменьшающейся по длине волокна, приводит к тому, что форма генерируемого симиларитонного импульса становится еще ближе к параболической, а скорость его частотной модуляции остается постоянной на протяжении всей длительности импульса. В итоге выходной импульс может быть подвержен большей компрессии, а его пиковая мощность значительно повышена.Modern fiber lasers - sources of ultrashort pulses can be divided into two main groups. The first is lasers with anomalous dispersion of the resonator. In lasers of this type, nonlinearity compensates for the dispersion spreading of optical wave packets, which as a result leads to the generation of stable soliton-like pulses of short duration. The disadvantage of such lasers is that when the peak pulse power exceeds a certain threshold value, the anomalous dispersion of the resonator is not able to completely balance nonlinear effects. This leads to a limitation of the energy of an individual pulse and to multi-pulse lasing regimes. On the other hand, lasers of the second group — with normal cavity dispersion — support the generation of pulses with energies essentially limited only by the power and width of the pump spectrum [Fiber Lasers Wiley-VHC Verlag & Co, ed. Okhotnikov O. G., 280 p. (2012)]. One of the most promising lasers of this type is similariton lasers, which are called by the type of generated pulses (in the English literature “similaritons”). The pulses generated in such lasers evolve in the cavity almost self-similarly and have a high frequency modulation rate (chirp). When the modulation is suppressed on an element with anomalous dispersion and minimal nonlinearity (for example, a diffraction grating), the generated pulse can be strongly compressed to a subpicosecond duration, while its peak power can reach tens of kW and higher [F. O. Ilday, J. R. Buckley, W. G. Clark, and F. W. Wise, “Self-Similar Evolution of Parabolic Pulses in a Laser” Phys. Rev. Lett. Vol. 92, 213902 (2004)]. Thus, similariton lasers with normal dispersion of the cavity are promising as sources of ultrashort pulses of high peak power. This utility model offers an improvement in the design of lasers of this type. The use of a modulator fiber with normal dispersion, decreasing along the length of the fiber, leads to the fact that the shape of the generated similariton pulse becomes even closer to parabolic, and its frequency modulation rate remains constant throughout the duration of the pulse. As a result, the output pulse may be subject to greater compression, and its peak power is significantly increased.

Известна конструкция волоконного лазера с нормальной дисперсией симиларитонного типа [Ilday et al, pat. US 2006/0291521 A1]. Она взята за прототип. Основными элементами лазера являются: 1- устройство ввода накачки, 2 - активное волокно, легированное ионами редкоземельных элементов, 3 - оптический изолятор, 4 - компрессионный элемент с аномальной дисперсией и минимальной нелинейностью, например, пара дифракционных решеток, 5 - насыщающийся поглотитель; в его качестве может быть использован любой стандартный быстродействующий насыщающийся поглотитель, например, основанный на эффекте нелинейного вращения поляризации или на основе полупроводниковой структуры [A.B.Grudinin et al., pat. US 8179943 B2], 6 - устройство вывода излучения, 7 - одномодовое волокно - модулятор с нормальной дисперсией. Схема лазера приведена на Фиг.1.A known design of a fiber laser with normal dispersion of the similariton type [Ilday et al, pat. US 2006/0291521 A1]. She is taken as a prototype. The main elements of the laser are: 1 - a pump input device, 2 - an active fiber doped with rare-earth ions, 3 - an optical insulator, 4 - a compression element with anomalous dispersion and minimal non-linearity, for example, a pair of diffraction gratings, 5 - a saturable absorber; any standard high-speed saturable absorber, for example, based on the effect of nonlinear polarization rotation or on the basis of a semiconductor structure [A.B. Grudinin et al., pat. US 8179943 B2], 6 - radiation output device, 7 - single-mode fiber - modulator with normal dispersion. The laser circuit is shown in Fig.1.

Принцип работы лазера заключается в следующем. При превышении мощностью накачки определенного порогового значения в лазере происходит синхронизация мод и формируется импульс. В стационарном режиме генерации эволюцию импульса в резонаторе можно поэтапно представить как 1) нелинейная фазовая самомодуляция, сопровождающаяся дисперсионным расплыванием в волокне-модуляторе, 2) повышение мощности в коротком активном волокне, легированном редкоземельными ионами, 3) гашение частотной модуляции на элементе с аномальной дисперсией и сжатие импульса, 4) вывод основной части импульса через ответвитель и возвращение в модулятор резонатора оставшейся части импульса. Основным преимуществом лазера является то, что на протяжении большей части резонатора форма импульса близка к параболической, которая является устойчивой и характерна для симиларитонных импульсов, распространяющихся в волокне с нормальной дисперсией. Устойчивость импульса позволяет увеличивать его энергию до десятков нДж и выше [A. Chong, W. H. Renninger and F. W. Wise “All-normal-dispersion femtosecond fiber laser with pulse energy above 20 nJ”, Optics Letters, 32, 2408 (2007)]. При заданной пиковой мощности насыщения насыщающегося поглотителя энергетические характеристики выходного импульса данного лазера практически полностью определяются мощностью и шириной спектра усиления накачки.The principle of laser operation is as follows. When the pump power exceeds a certain threshold value in the laser, mode locking occurs and a pulse is formed. In the stationary generation mode, the evolution of the pulse in the resonator can be represented in stages as 1) nonlinear phase self-modulation, accompanied by dispersion spreading in the modulator fiber, 2) increase in power in a short active fiber doped with rare-earth ions, 3) damping of frequency modulation on an element with anomalous dispersion and pulse compression, 4) output of the main part of the pulse through the coupler and return to the resonator modulator of the remaining part of the pulse. The main advantage of the laser is that, over most of the cavity, the pulse shape is close to parabolic, which is stable and characteristic of similariton pulses propagating in a fiber with normal dispersion. The stability of a pulse allows it to increase its energy to tens of nJ or more [A. Chong, W. H. Renninger and F. W. Wise “All-normal-dispersion femtosecond fiber laser with pulse energy above 20 nJ”, Optics Letters, 32, 2408 (2007)]. For a given peak saturation power of a saturable absorber, the energy characteristics of the output pulse of this laser are almost completely determined by the power and width of the pump gain spectrum.

Недостатком данного лазера является то, что импульс в одномодовом пассивном волокне - модуляторе обладает не полностью параболической формой. Практически совпадает с ней лишь центральная часть импульса, и в результате скорость частотной модуляции также непостоянна на протяжении всей длительности импульса - максимальное значение в центре снижается к краям импульса. Эти факторы приводят к неустойчивости импульса при высоких значениях энергии [W. J. Tomlinson, R. H. Stolen and A. M. Johnson “Optical wave breaking of pulses in nonlinear optical fibers”, Optics Letters, 10, 457 (1985)] и неполной компрессии импульса в элементе с аномальной дисперсией. The disadvantage of this laser is that the pulse in a single-mode passive fiber modulator does not have a completely parabolic shape. Only the central part of the pulse practically coincides with it, and as a result, the frequency modulation rate is also unstable throughout the entire duration of the pulse — the maximum value in the center decreases toward the edges of the pulse. These factors lead to instability of the pulse at high energies [W. J. Tomlinson, R. H. Stolen and A. M. Johnson “Optical wave breaking of pulses in nonlinear optical fibers”, Optics Letters, 10, 457 (1985)] and incomplete pulse compression in an element with anomalous dispersion.

Для устранения указанного недостатка предложена данная полезная модель.To eliminate this drawback, this utility model is proposed.

Основной целью данной полезной модели является повышение устойчивости и уровня компрессии импульса в резонаторе лазера симиларитонного типа. The main purpose of this utility model is to increase the stability and level of compression of a pulse in a laser cavity of a similariton type.

Технический результат: повышение пиковой мощности выходного импульса. Effect: increase the peak power of the output pulse.

Технический результат достигается за счет использования в качестве волокна-модулятора одномодового волокна, нормальная дисперсия которого снижается по длине по гиперболическому закону The technical result is achieved through the use of a single-mode fiber as a modulator fiber, the normal dispersion of which decreases in length according to a hyperbolic law

,

, (one)

где - значение дисперсии групповых скоростей на входе в волокно-модулятор,

- координата вдоль волокна,

- постоянная, характеризующая инкремент снижения дисперсии.Where - the value of the dispersion of group velocities at the entrance to the fiber modulator,

- coordinate along the fiber,

- constant characterizing the increment of the decrease in variance.

Описание изобретения:Description of the invention:

Известно, что в пассивном одномодовом волокне с нормальной дисперсией, уменьшающейся по длине согласно закономерности (1), произвольный входной импульс, асимптотически при

приобретает параболическую форму, которую можно описать выражением для комплексной огибающей

[Hirooka T., Nakazava M. «Parabolic pulse generation by use of a dispersion-decreasing fibre with normal group-velocity dispersion» Optics Letters. 29, 498 (2004)]:It is known that in a passive single-mode fiber with normal dispersion, decreasing in length according to regularity (1), an arbitrary input pulse is asymptotically

acquires a parabolic shape, which can be described by the expression for the complex envelope

[Hirooka T., Nakazava M. "Parabolic pulse generation by use of a dispersion-decreasing fiber with normal group-velocity dispersion" Optics Letters. 29, 498 (2004)]:

(2)

Отмечаем, что остальные параметры волокна-модулятора, в частности, площадь пятна моды и коэффициент нелинейности

остаются постоянными по длине. Технология изготовления волокон такого типа известна [Ахметшин У.Г., Богатырев В.А., Сенаторов А.К., Сысолятин А.А., Шалыгин М.Г., Квантовая электроника, 33, 265 (2003)]. При этом для пиковой мощности

и длительности импульса

с начальной энергией

в модуляторе справедливы выраженияWe note that the remaining parameters of the modulator fiber, in particular, the mode spot area and the nonlinearity coefficient

remain constant in length. The manufacturing technology of fibers of this type is known [Akhmetshin UG, Bogatyrev VA, Senatorov AK, Sysolyatin AA, Shalygin MG, Quantum Electronics, 33, 265 (2003)]. Moreover, for peak power

and pulse duration

with initial energy

in the modulator, the expressions are valid

(3)

Очень важно то, что асимптотически при

мгновенная частота импульса линейно зависит от времени с постоянной скоростью частотной модуляции (чирпом)

It is very important that asymptotically for

the instantaneous pulse frequency linearly depends on time with a constant frequency modulation rate (chirp)

,

, (four)

а величина чирпа может быть задана при изготовлении волокна при помощи параметров начальной дисперсии

и инкремента снижения дисперсии

. and the value of the chirp can be specified during the manufacture of the fiber using the parameters of the initial dispersion

and increment reduction in variance

.

Таким образом, используя в симиларитонном лазере волокно-модулятор с дисперсией, изменяющейся согласно (1), возможно получить импульс с улучшенными характеристиками - с огибающей, близкой к устойчивой параболической форме на большей части продолжительности импульса, и линейной частотной модуляцией, обеспечивающей высокое качество компрессии импульса. Thus, using a fiber modulator with dispersion changing in accordance with (1) in a similariton laser, it is possible to obtain a pulse with improved characteristics - with an envelope close to a stable parabolic shape for most of the pulse duration, and linear frequency modulation, providing high quality pulse compression .

Для проверки этого утверждения было проведено численное моделирование предлагаемой модели лазера в сравнении с прототипом, отличающимся лишь волокном-модулятором, причем значение суммарной нормальной дисперсии в модуляторе в обоих случаях совпадало. Моделирование проводилось при одних и тех же начальных условиях (генерация из заданного «белого» шума) при одинаковой мощности накачки. Результаты моделирования представлены на Фиг. 2 для лазера с параметрами: пиковая мощность насыщающегося поглотителя 1.5 кВт, активное волокно имеет нормальную дисперсию

и длину 0.5 метра, все волоконные элементы обладают коэффициентом нелинейности

. В первом случае (соответствующем предлагаемой полезной модели, результаты на Фиг.2 обозначены цифрой «1») дисперсия волокна-модулятора с длиной 25 м распределена какTo verify this statement, a numerical simulation of the proposed laser model was carried out in comparison with the prototype, which differs only in the modulator fiber, and the value of the total normal dispersion in the modulator in both cases coincided. The simulation was carried out under the same initial conditions (generation from a given "white" noise) at the same pump power. The simulation results are presented in FIG. 2 for a laser with parameters: the peak power of the saturable absorber is 1.5 kW, the active fiber has a normal dispersion

and a length of 0.5 meters, all fiber elements have a nonlinearity coefficient

. In the first case (corresponding to the proposed utility model, the results in FIG. 2 are indicated by the number “1”), the dispersion of the modulator fiber with a length of 25 m is distributed as

,

, (one)

с начальной дисперсией

. Во втором случае (результаты на Фиг.2 обозначены цифрой «2») модулятор имеет ту же суммарную дисперсию, равномерно распределенную по длине 10 м (значение

). Элемент-компрессор с аномальной дисперсией и пренебрежимо малой нелинейностью обеспечивает для обоих случаев одинаковую суммарную нормальную дисперсию резонатора равную 15

. with initial dispersion

. In the second case (the results in Fig. 2 are indicated by the number “2”), the modulator has the same total dispersion uniformly distributed over a length of 10 m (value

) The compressor element with anomalous dispersion and negligible nonlinearity provides for both cases the same total normal dispersion of the resonator equal to 15

.

Сплошными линиями показаны результаты для импульсов на выходе из усилителя, штриховыми - после прохождения компрессионного элемента. На Фиг 2 (а) показаны зависимости изменения мгновенной частоты от времени на протяжении длительности импульса. Как можно видеть, для импульса, прошедшего модулятор с уменьшающейся нормальной дисперсией, эта зависимость является практически линейной, что способствует лучшей компрессии. На Фиг. 2 (б) из сравнения форм огибающих видно, что после прохождения модулятора импульсы в обоих случаях не полностью соответствуют параболической асимптотике (2) (параболический импульс в рассматриваемом логарифмическом масштабе обладает почти плоской вершиной и отвесными краями). Тем не менее, практически постоянный чирп импульса, прошедшего модулятор с уменьшающейся дисперсией, обеспечивает лучшую компрессию и более высокую пиковую мощность сжатого импульса. Это хорошо иллюстрирует вставка на Фиг.2, на которой импульсы, прошедшие компрессионный элемент, показаны в линейном масштабе. Как можно видеть, импульс, прошедший модулятор с уменьшающейся дисперсией, может быть сжат до пиковой мощности более чем 2 раза большей, по сравнению с импульсом, прошедшим стандартный модулятор лазера симиларитонного типа. При моделировании выбраны параметры нелинейности, соответствующие стандартным кварцевым волоконным световодам. При использовании в качестве модулятора с уменьшающейся дисперсией фотоннокристаллического волокна с повышенным коэффициентом нелинейности эффективность предложенной модели возрастает за счет более быстрой сходимости огибающей импульса к параболической форме. Изменяя параметры волоконного модулятора - инкремент снижения дисперсии, ее начальное значение и длину волокна, возможно управлять параметрами выходного лазерного импульса - шириной спектра, длительностью и пиковой мощностью. При оптимальном сочетании параметров пиковая мощность импульса может быть повышена в несколько раз. The solid lines show the results for pulses at the output of the amplifier, and the dashed lines indicate the passage of the compression element. Figure 2 (a) shows the dependence of the instantaneous frequency on time over the duration of the pulse. As can be seen, for a pulse passing through a modulator with decreasing normal dispersion, this dependence is almost linear, which contributes to better compression. In FIG. 2 (b) from a comparison of the envelope shapes, it can be seen that after passing through the modulator, the pulses in both cases do not completely correspond to the parabolic asymptotics (2) (the parabolic pulse in the considered logarithmic scale has an almost flat vertex and steep edges). However, an almost constant chirp of a pulse transmitted through a modulator with decreasing dispersion provides better compression and higher peak power of the compressed pulse. This is well illustrated by the insert in FIG. 2, in which the pulses passing through the compression element are shown on a linear scale. As can be seen, a pulse transmitted through a modulator with decreasing dispersion can be compressed to a peak power of more than 2 times greater than a pulse transmitted through a standard simulator of a similariton type laser. During the simulation, nonlinearity parameters corresponding to standard quartz fiber optical fibers were selected. When used as a modulator with decreasing dispersion of a photonic crystal fiber with an increased coefficient of nonlinearity, the efficiency of the proposed model increases due to a faster convergence of the pulse envelope to a parabolic shape. By changing the parameters of the fiber modulator - the increment of reduction of dispersion, its initial value and the length of the fiber, it is possible to control the parameters of the output laser pulse - the width of the spectrum, duration and peak power. With an optimal combination of parameters, the peak pulse power can be increased several times.

Экспериментальная проверка предлагаемой полезной модели подтверждает результаты моделирования.An experimental verification of the proposed utility model confirms the simulation results.

Таким образом, технический результат полезной модели достигнут. Показано, что при использовании в лазере симиларитонного типа волоконного модулятора с уменьшающейся нормальной дисперсией характеристики выходного лазерного импульса могут быть улучшены. При использовании в качестве компрессионного элемента фотоннокристаллического волокна с аномальной дисперсией и малым параметром нелинейности предлагаемая модель лазера может быть изготовлена в полностью волоконном исполнении.Thus, the technical result of the utility model is achieved. It is shown that when using a similariton type fiber modulator in a laser with decreasing normal dispersion, the characteristics of the output laser pulse can be improved. When using photonic crystal fibers with anomalous dispersion and a small nonlinearity parameter as a compression element, the proposed laser model can be manufactured in a fully fiber version.

Claims

A fiber laser with a modulator based on fiber with decreasing normal dispersion, consisting of a pump source and a ring resonator formed by a pump radiation input device, an active fiber doped with rare-earth ions, an optical isolator, a compression element with anomalous dispersion, a saturable absorber, a radiation output device, single-mode fiber - modulator with normal dispersion, characterized in that the normal dispersion of the modulator fiber is reduced in length along g perbolicheskomu law.