RU155817U1

RU155817U1 - Каскадная система для усиления лазерных импульсов

Info

Publication number: RU155817U1
Application number: RU2014145088/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Олегович Золотовский; Сергей Геннадьевич Новиков; Дмитрий Александрович Коробко; Олег Геннадьевич Охотников; Елена Георгиевна Лексина
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2015-10-20

Abstract

Система для усиления лазерных импульсов, включающая устройство для ввода лазерных сигнальных импульсов, оптическое волокно-усилитель, с нормальной дисперсией групповых скоростей, легированное редкоземельными ионами, источник накачки, мультиплексор, через который к оптическому волокну-усилителю подключаются устройство для ввода импульсов и источник накачки, оптическое волокно-модулятор с нормальной дисперсией групповых скоростей, вход которого связан с выходом волокна-усилителя и компрессор для сжатия выходного импульса и увеличения его пиковой мощности, подключаемого к выходу волокна-модулятора, отличающаяся тем, что волокно-усилитель и волокно-модулятор являются фотонно-кристаллическими, волокно-усилитель легировано ионами Ib, при этом отношение величины дисперсии групповых скоростей к параметру нелинейности в оптическом волокне-усилителе экспоненциально растет с длиной волокна, а в волокне-модуляторе гиперболически снижается.

Description

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

Известна полезная модель системы для генерации мощных субпикосекундных лазерных импульсов (патент РФ №120286 от 10.09.2012 г. авт. Золотовский И.О., Семенцов Д.И., Коробко Д.А., Новиков С.Г., Охотников О.Г., Сысолятин А.А., Фотиади А.А.) состоящей из 1) источника импульсов; 2) источника накачки; 3) оптического волокна легированного редкоземельными ионами, причем значение дисперсии групповых скоростей в волокне экспоненциально растет по длине волокна; 4) оптического волокна-модулятора с гиперболически снижающейся по длине нормальной дисперсией групповых скоростей; 5) устройства вывода, в котором усиленный импульс дополнительно подвергается компрессии.

Данное изобретение взято в качестве прототипа.

Принцип действия прототипа заключается в следующем.

Известно (Agrawal G., "Nonlinear fiber optics" (Springer, fourth edition, 2007, 530 p.), что распространение ультракоротких импульсов в нелинейном оптическом волокне, описывается нелинейным уравнением Шредингера (НУШ) с усилением:

Здесь A(z, τ) - медленно меняющаяся амплитуда импульса, D - дисперсия групповых скоростей (ДГС) волокна, R - коэффициент керровской (кубической) нелинейности, g₀ - коэффициент усиления световода по амплитуде, отличный от 0 в волокне-усилителе и равный 0 в волокне-модуляторе, z - координата импульса в волноводе, τ - время в сопутствующей импульсу системе координат.

Известно, что огибающая ультракороткого лазерного импульса, усиливающегося в оптическом волокне с постоянным коэффициентом усиления и 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 приобретение импульсом постоянной скорости частотной модуляции

При этом длительность симиляритонного импульса экспоненциально растет по длине усилителя

Ширина спектра частотно-модулированного усиливаемого симиляритонного импульса

также экспоненциально растет по длине усилителя. Из-за того что накачка обеспечивает усиление только в пределах ограниченной спектральной полосы, по мере распространения импульса эффективность усиления падает, так как спектральные компоненты импульса, близкие к границам спектральной полосы усиления, усиливаются в значительно меньшей степени чем компоненты в середине спектра.

Для повышения эффективности усиления в полезной модели-прототипе предложено осуществлять усиление в волокне с растущим экспоненциально по длине коэффициентом нормальной ДГС

и постоянным по длине волокна коэффициентом нелинейности R. Скорость частотной модуляции усиливаемого импульса определяется в этом случае не коэффициентом усиления g₀, а коэффициентом G_eƒƒ=g₀-g_D

Таким образом, в волокне-усилителе с инкрементом роста дисперсии, близком к коэффициенту усиления, скорость частотной модуляции может быть значительно снижена. В асимптотике z→∞ для ширины спектра усиливаемого импульса справедливо выражение

то есть в этом случае ширина спектра импульса также растет значительно медленнее. Это позволяет в волокне-усилителе с растущей экспоненциально ДГС передавать импульсу бОльшую энергию, чем в волокне с постоянной по длине ДГС той же длины и равным коэффициентом усиления.

Известно, что в пассивных оптических волокнах (g₀=0) с пренебрежимо малыми потерями профиль нормальной ДГС, обеспечивающий существование параболического симиляритонного импульса со скоростью частотной модуляции α_m, должен иметь гиперболический вид (Hirooka Т., Nakazava М. Optics Letters. 29, (5) 498-500 (2004)):

где D_m0 - значение ДГС на входе в волокно. Величина g_eƒƒ=6α_mD_m0

представляет собой инкремент снижения дисперсии и также асимптотически задает скорость частотной модуляции симиляритона α_m. Величина D_m0

выбирается равной значению ДГС на выходе волокна-усилителя, что позволяет исключить искажения импульса при его переходе из усилителя в модулятор. Задавая инкремент снижения ДГС g_eƒƒ, возможно определять

скорость частотной модуляции в волокне-модуляторе. Если модулятор является завершающим элементом системы, располагающимся перед оптическим компрессором, то величина g_eƒƒ должна задавать высокую скорость линейной частотной модуляции симиляритона

, обеспечивая высокую степень сжатия при погашении частотной модуляции в компрессоре. Волокно-модулятор может также использоваться для соединения двух волокон-усилителей, «сшивая» выход одного с высоким значением нормальной ДГС и вход другого с малым значением ДГС. При этом инкремент снижения дисперсии должен быть таким, чтобы скорость частотной модуляции, по меньшей мере не повышалась, т.е. g_eƒƒ≤G_eƒƒ [D. Korobko, О. Okhotnikov, A. Sysolyatin, M. Yavtushenko, and I. Zolotovskii, "Optical amplifier with tailored dispersion for energy scaling of similaritons," J. Opt. Soc. Am. В 30, 582-588 (2013)].

Схема, предлагаемая в полезной модели - прототипе, позволяет осуществлять многоступенчатое усиление, при этом контроль скорости частотной модуляции на каждом этапе дает возможность управлять шириной спектра усиливаемого импульса и эффективнее усиливать спектральные компоненты, близкие к границе спектральной полосы усиления.

В прототипе предложено реализовать волокно-усилитель с растущей дисперсией и волокно-модулятор со снижающейся дисперсией на основе кварцевых 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. - 2003. Т. 33. С. 265-267).

Существенным недостатком прототипа является то, что кварцевые оптические волокна с радиальным «W»-профилем показателя преломления используются только в телекоммуникационном диапазоне длин волн (около 1550 нм) и не могут быть использованы в другом диапазоне, например, в области длин волн около 1060 нм. Данная область особенно перспективна для получения импульсов высокой энергии, из-за наличия мощных источников накачки и хорошо разработанной технологии легирования оптических волокон ионами Ib³⁺, позволяющих достигать высоких коэффициентов усиления.

Для устранения указанного недостатка предлагается данная полезная модель.

Цель: обеспечить эффективное усиление импульсов за счет снижения скорости уширения спектра импульса в волоконно-оптическом усилителе и осуществления многоступенчатого усиления.

Технический результат: получить эффективное усиление в области длины волны 1060 нм.

Технический результат достигается за счет использования волокна-усилителя на основе легированного Ib³⁺ фотонно-кристаллического волокна с экспоненциально возрастающим по длине отношением параметра нормальной ДГС к параметру нелинейности и фотонно-кристаллического волокна с гиперболически снижающимся по длине отношением параметра нормальной ДГС к параметру нелинейности.

Описание полезной модели.

Фотонно-кристаллические (ФК) волокна представляют собой кварцевую или стеклянную микроструктуру с периодической системой воздушных отверстий, ориентированных вдоль оси волокна. Дефект структуры, заключающийся в отсутствии отверстия в центре, служит сердцевиной волокна, обеспечивая волноводный режим распространения для излучения. Волноводные свойства ФК волокна, т.е. рабочий диапазон, величина параметров ДГС и нелинейности могут изменяться в широком диапазоне при изменении параметров микроструктуры - диаметра отверстий и расстояния между ними. В частности, известна технология создания волокон для усиления в области длины волны 1060 нм на основе ФК волокна, легированного ионами Ib³⁺ (О.Н. Егорова, С.Л. Семенов, В.В. Вельмискин, М.Ю. Салганский, М.В. Яшков, А.Н. Гурьянов, Е.М. Дианов, «Одномодовый волоконный световод с фотонной запрещенной зоной и сердцевиной из кварцевого стекла, легированного ионами иттербия» Квант, электрон. - 2010. Т. 40. С. 1137-1140). Известна также технология изготовления ФК волокон с заданным распределением параметров дисперсии и нелинейности по длине (Tse М. L. V., P. Horak, F. Poletti, and D.J.

Richardson. Designing tapered holey fibers for soliton compression // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2008. - T. 44. - C. 192-198).

ФК волокна отличаются от используемых в прототипе кварцевых волокон с радиальным «W»-профилем показателя преломления тем, что позволяют в широком диапазоне варьировать по длине не только параметр ДГС, но и параметр нелинейности, определяемый в свою очередь параметрами площади моды и площади эффективной моды. Это значительно расширяет семейство ФК волокон, на основе которых могут быть изготовлены усиливающие световоды, обеспечивающие пониженную скорость уширения спектра усиливаемого импульса. В отличие от прототипа применение ФК волокон позволяет использовать не только волокна с постоянной по длине нелинейностью и изменяющейся нормальной ДГС, но и волокна, в которых изменяются как ДГС так и параметр нелинейности.

Условие экспоненциального роста нормальной ДГС (1) трансформируется для ФК волокна-усилителя в условие экспоненциального роста отношения параметра нормальной ДГС к параметру нелинейности D(z)/R(z)∝exp(gz). Коэффициент G_eƒƒ, определяющий в этом случае скорость частотной модуляции и скорость уширения спектра импульса, можно записать как

На фиг. 1 показаны профили изменения по длине ФК волокна-усилителя параметров ДГС и нелинейности, обеспечивающих различные значения параметра G_eƒƒ при заданном коэффициенте усиления g₀=1 м^-1 в легированном ФК волокне-усилителе. Профили, соответствующие одному ФК волокну, обозначены одинаковыми цифрами.

Условие гиперболического снижения нормальной ДГС в волокне-модуляторе (2) трансформируется для ФК волокна-модулятора в связь между изменяющимися параметрами ДГС и нелинейности по обобщенному гиперболическому закону

где R_m0 - значние параметра нелинейности на входе в волокно-модулятор. На фиг. 2 показаны профили изменения по длине ФК волокна-модулятора параметров ДГС и нелинейности, обеспечивающих различные значения параметра g_eƒƒ в ФК волокне-модуляторе. Профили, соответствующие одному ФК волокну, обозначены одинаковыми цифрами. Волокна-модуляторы с высокой величиной g_eƒƒ целесообразно использовать в качестве финальных элементов, сообщающих усиленному импульсу высокую частотную модуляцию перед оптическим компрессором. Волокна-модуляторы с малой величиной g_eƒƒ необходимы при последовательном соединении двух волокон усилителей.

На фиг. 3 представлена схема системы для усиления лазерных импульсов, включающая 1 - устройство для ввода лазерных сигнальных импульсов, 2 - источник накачки, 3 - мультиплексор, 4 - оптическое волокно-усилитель, легированное ионами Ib³⁺, 5 - оптическое волокно-модулятор и 6 - компрессор для сжатия выходного импульса и увеличения его пиковой мощности, отличающаяся тем, что волокно-усилитель и волокно-модулятор являются фотонно-кристаллическими при этом отношение величины дисперсии групповых скоростей к параметру нелинейности в оптическом волокне-усилителе экспоненциально растет с длиной волокна, а в волокне-модуляторе гиперболически спадает.

Claims

Система для усиления лазерных импульсов, включающая устройство для ввода лазерных сигнальных импульсов, оптическое волокно-усилитель, с нормальной дисперсией групповых скоростей, легированное редкоземельными ионами, источник накачки, мультиплексор, через который к оптическому волокну-усилителю подключаются устройство для ввода импульсов и источник накачки, оптическое волокно-модулятор с нормальной дисперсией групповых скоростей, вход которого связан с выходом волокна-усилителя и компрессор для сжатия выходного импульса и увеличения его пиковой мощности, подключаемого к выходу волокна-модулятора, отличающаяся тем, что волокно-усилитель и волокно-модулятор являются фотонно-кристаллическими, волокно-усилитель легировано ионами Ib³⁺, при этом отношение величины дисперсии групповых скоростей к параметру нелинейности в оптическом волокне-усилителе экспоненциально растет с длиной волокна, а в волокне-модуляторе гиперболически снижается.