RU210121U1 - Волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления - Google Patents
Волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления Download PDFInfo
- Publication number
- RU210121U1 RU210121U1 RU2021135274U RU2021135274U RU210121U1 RU 210121 U1 RU210121 U1 RU 210121U1 RU 2021135274 U RU2021135274 U RU 2021135274U RU 2021135274 U RU2021135274 U RU 2021135274U RU 210121 U1 RU210121 U1 RU 210121U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- refractive index
- optical fiber
- frequency
- pulses
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/028—Optical fibres with cladding with or without a coating with core or cladding having graded refractive index
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
- H01S3/06725—Fibre characterized by a specific dispersion, e.g. for pulse shaping in soliton lasers or for dispersion compensating [DCF]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Lasers (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области физики лазеров, в частности к генерации субпикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов с высоким значением пиковой мощности и линейной скоростью частотной модуляции. Волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления включает в себя источник излучения - мастер-осциллятор, обеспечивающий генерацию спектрально ограниченных импульсов, усилитель, представляющий собой активный световод, легированный редкоземельными элементами и имеющий нормальную дисперсию групповых скоростей, волокно с записанной решеткой показателя преломления с плавно увеличивающимся периодом, последовательно соединенное с усилителем и пассивным оптическим волокном для погашения частотной модуляции и компрессии частотно-модулированных импульсов. При этом плавно увеличивающийся период записанных решеток показателя преломления в оптическом волокне приводит к тому, что эффективное значение модуля аномальной дисперсии групповых скоростей экспоненциально спадает по длине волокна, что позволяет добиться устойчивого распространения и уменьшения длительности частотно-модулированных ультракоротких лазерных импульсов в оптическом волокне с ростом скорости их частотной модуляции. Важной особенностью предлагаемой схемы является возможность использования световодов с большой площадью моды, например тейперированных световодов, либо световодов с градиентным профилем показателя преломления и уменьшающейся по модулю дисперсией. Данное обстоятельство делает возможным использование волоконных для формирования импульсов с пиковыми мощностями свыше 1 МВт.
Description
Полезная модель относится к области оптики, в частности к генерации субпикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов.
Важнейшим направлением физики лазеров с момента их создания является разработка генераторов ультракоротких импульсов (УКИ), обеспечивающих высокую пиковую мощность. Один из наиболее распространенных подходов, используемых для получения УКИ, заключается в генерации импульсов с широким спектром и линейной частотной модуляцией и их последующее сжатие на внешнем компрессоре при компенсации частотной модуляции. Механизм сжатия ЧМИ был рассмотрен на примере неоднородных световодов с W-профилем распределения показателя преломления, который характеризуется уменьшающейся по модулю аномальной дисперсией [Патент РФ 2012/ RU 118767U1]. Интерес к таким световодам определяется возможностями формирования в них импульсов с пиковыми мощностями свыше 1 МВт, что делает их пригодными для решения целого ряда важнейших практических задач: обработка и модификация материалов, технологии легирования, оптическая связь, медицина, ядерные и ускорительные технологии и др.
Также известно устройство для компрессии ультракоротких лазерных импульсов (Patent US 2009/0190893 A1, Katagiri et al.), состоящее из диспергирующего элемента, позволяющему обеспечить необходимую начальную частотную модуляцию оптического волокна с отрицательной дисперсией групповых скоростей и малой керровской нелинейностью, в котором реализуется уменьшение длительности импульса при одновременном увеличение его пиковой мощности вследствие компенсации положительной частотной модуляции из-за действия аномальной дисперсии.
Предложенные изобретения имеют следующие существенные недостатки:
1. Для достижения максимального сжатия импульса необходим точный подбор длины волокна-компенсатора, что в общем случае является сложной нелинейной задачей. Как следствие этого - максимальное сжатие импульса осуществить невозможно.
2. Начальная частотная модуляция чирп не может быть выше некоторого критического значения, зависящего от мощности исходного импульса, что опять же не позволяет добиться максимальной компрессии при погашении чирпа.
3. Использование световодов с W-профилем показателя преломления приводит к тому, что аномальная ДГС может изменяться в строго ограниченном диапазоне и соответствует интервалу значений от -10-27 с2/м до -5·10-26 с2/м. Данное обстоятельство не позволяет реализовать существенную компрессию ЧМИ и, как следствие, значительно повысить их пиковую мощность.
Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель полезной модели: разработать оптическую систему для временного сжатия лазерных импульсов до длительностей менее 1 пикосекунды и пиковых мощностей порядка 1 МВт. Сжатие осуществляется за счет применения волокна с записанными решетками показателя преломления с изменяющимся по длине периодом. В световоде реализуется уменьшающийся по длине профиль дисперсии групповых скоростей, который обеспечивает существование и устойчивость сжимаемого частотно-модулированного импульса. Разброс значений ДГС за счет записанных в световоде внутриволоконных решеток может составлять более 6 порядков.
Технический результат: разработка модели волоконной лазерной системы, позволяющей обеспечить сжатие лазерных импульсов до субпикосекундной и фемтосекундной длительности на выходе, т. е. реализовать компрессию оптического импульса более чем на два порядка по сравнению с первоначальной длительностью с одновременным повышением его пиковой мощности до величин порядка 1 МВт.
Технический результат достигается за счет применения волокна с записанной внутриволоконной решеткой показателя преломления с изменяющимся периодом и, как следствие, c уменьшающимся по длине профилем дисперсии групповых скоростей, обеспечивающим существование и устойчивость сжимаемого частотно-модулированного импульса. При распространении импульса в волокне такого типа происходит дополнительная его частотная модуляция, приводящая к большей компрессии в выходном диспергирующем элементе.
Разработана оптическая система для компрессии ультракоротких лазерных импульсов (фиг. 1), включающая элементы: источник лазерных импульсов (мастер-осциллятор), обеспечивающий генерацию спектрально ограниченных импульсов, усилитель с нормальной дисперсией, обеспечивающий формирование импульсов с энергией свыше 1 нДж с линейной скоростью частотной модуляции, последовательно соединенное с ним оптическое периодическое волокно с аномальной дисперсией групповых скоростей и керровской нелинейностью для нелинейного самосжатия и модуляции импульса и подключенный к выходу оптического волокна дополнительный пассивный элемент, также отвечающий за нелинейное самосжатие. При этом за счет сформированных решеток с плавно возрастающим периодом значение модуля аномальной дисперсии групповых скоростей в оптическом волокне экспоненциально спадает по длине волокна, что позволяет добиться устойчивого режима компрессии частотно-модулированных ультракоротких лазерных импульсов до длительностей менее 1 пс и пиковых мощностей свыше 1 МВт. Таким образом, механизм компрессии ЧМИ в предлагаемой полезной модели осуществляется за счет последовательного размещения решеток показателя преломления с различающимися периодами и, как следствие, уменьшающимся значением дисперсии групповых скоростей (ДГС). Технология изготовления и особенности записи брегговских решеток непосредственно в градиентных многомодовых световодах подробно рассматривались в работе [Y. Liu et al. // Opt. Express 2005. V. 13. P. 8513].
1 - источник излучения спектрально ограниченных импульсов (мастер-осциллятор),
2 - усилитель (активное волокно, легированное редкоземельными элементами),
3 - оптическое волокно с записанной решеткой показателя преломления с плавно увеличивающимся периодом,
4 - пассивное волокно с аномальной дисперсией групповых скоростей.
Основным элементом предлагаемой полезной модели является волноводная структура с периодической решеткой показателя преломления приведена. В соответствующих сегментах световода величина показателя преломления задается соотношением:
где n0 - средний показатель преломления световода в отсутствии решетки, m - глубина модуляции решетки показателя преломления и Λ - ее период. Вклад в эффективную ДГС решетки показателя преломления значительно превышает вклад материальной дисперсии световодов. Использование подобных решеток в качестве диспергирующих элементов неизбежно приводит к сильному влиянию дисперсионных эффектов высших порядков:
где групповая скорость волны, параметр k -определяет связь между прямой и отраженной волной. Величина δ определяет отстройку несущей частоты от частоты брегговского синхронизма :
При этом именно знак отстройки δ определяет знак β2 соответствующей решетки. ДГС принимает отрицательные значения в спектральной области, где несущая длина волны меньше брегговской. Увеличивающийся период записанных решеток Λ(z) позволяет увеличить отстройку δ и, как следствие, приводит к постепенному уменьшению абсолютной величины аномальной ДГС. Наиболее эффективно компрессия может быть реализована, если профиль дисперсии второго порядка.
Распространение и последующая компрессия ЧМИ рассматривалась для одиночных частотно-модулированных импульсов с пикосекундной длительностью. Режим сильного временного сжатия может быть реализован в световодах с экспоненциальным профилем распределения ДГС второго порядка . В этом случае длительность импульса с хорошей степенью точности определятся соотношением , где β20 и α0 начальные значения дисперсии групповых скоростей и скорости частотной модуляции соответственно.
Пусть частотно-модулированный спектрально ограниченный импульс от источника излучения 1 (мастер осциллятора) вводится в усиливающий элемент 2 - активное волокно, легированное редкоземельными элементами, где происходит нарастание пиковой мощности импульса практически на два порядка с сохранением линейной скорости частотной модуляции. Усиленный импульс поступает в оптическое волокно с записанной решеткой показателя преломления 3, где за счет плавного уменьшения ДГС более чем на два порядка реализуется эффективная компенсация имеющейся частотной модуляции и начальная стадия компрессии импульса. Увеличивающийся период записанных решеток Λ(z) позволяет увеличить отстройку δ и, как следствие, приводит к постепенному уменьшению абсолютной величины аномальной ДГС. На 4 элементе - пассивном волокне с аномальным постоянным значением ДГС происходит вторая завершающая стадия компрессии, характеризующая сильным временным сжатием и как следствие быстрым нарастанием пиковой мощности импульса.
Компрессия ЧМИ рассматривалась для следующих параметров излучения от источника 1 и материала оптического волокна 3 с решетками показателя преломления. Пусть в оптическое волокно с невозмущенным ПП n0=1.5 вводится импульс с центральной длиной волны λ0=1550 нм, начальными длительностью τ0=10 пс, скоростью частотной модуляции и пиковой мощностью Брегговская длина волны на входе в световод, величина отстройки и коэффициент модуляции решетки приняты равными Выбранным значениям параметров соответствует величина коэффициента связи и начальные параметры дисперсии решетки второго и третьего порядка и Величина коэффициента кубической нелинейности является стандартной для классических одномодовых волокон на длине волны λ0=1550 для значения для площади моды Дисперсионные параметры второго и третьего порядка определяются материалом световода без записанных внутриволоконных решеток.
Ввиду того, что в рассматриваемом периодическом волноводе величина ДГС принимает значения, на порядки превышающие значения ДГС в классических волноводных структурах, импульс в такой среде будет стремительно сжиматься при одновременном спектральном уширении с сохранением линейности чирпа, начиная с длин z<0,1m. Использование большего числа решеток с различным периодом меньшего размера обеспечивает большую пиковую мощность и более сглаженный пьедестал формирующихся импульсов. Ниже представим результаты по компрессии пикосекундных лазерных импульсов, которые достигаются при использовании предлагаемой полезной модели. В качестве основного элемента предлагаемой схемы использовались три оптических волокна с записанными в них 50, 100 и 200 брегговскими решетками показателя преломления с плавно увеличивающимся периодом. Протяженность одной решетки при этом составила 1 см. Для всех треш решеток показателя преломления модуль аномальной дисперсии групповых скоростей изменялся в пределах от Указанному изменению дисперсии будет соответствовать плавное увеличение переода решеток от 516 до 534 нм.
На фиг. 2 изображены временные профили ЧМИ для периодических волноводов, включающих в себя 50, 100 и 200 решеток соответственно. Формирование сжатого по времени импульса хорошего качества реализуется на длинах световода от 1.0 м (кривые 2-3). Причем оптимальному для выбранной длины профилю огибающей соответствует случай наибольшей компенсации частотной модуляции (чирпа) за счет аномальной ДГС, т.е. каждой выбранной длине световода соответствует определенное начальное значение чирпа, при выборе которого обеспечивается оптимальный профиль импульса. Еще одним из преимуществ протяженных периодических световодов является то, что они характеризуются меньшими начальными значениями ДГС. Это позволяет подавать на вход таких структур импульсы с малыми значениями начальной пиковой мощностью.
Таким образом, предложена волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления, в которой реализуется эффективная компрессия пикосекундных частотно-модулированных импульсов. Показано, что при использовании соответствующей модели волоконной системы возможно реализовать генерацию качественных субпикосекундных ЧМИ с пиковыми мощностями до одного мегаватта, если использовать последовательности решеток с общей длиной более одного метра.
Claims (1)
- Волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления включает в себя лазерный источник, обеспечивающий генерацию спектрально ограниченных импульсов, световод-усилитель с нормальной дисперсией групповых скоростей, обеспечивающий формирование импульсов с энергией свыше 1 нДж и линейной скоростью частотной модуляции, световод, осуществляющий временное сжатие частотно-модулированного импульса, последовательно соединенный с усилителем через оптическое волокно с записанными в нем внутриволоконными решетками показателя преломления, отличающаяся тем, что за счет плавного увеличения периода записанных решеток показателя преломления значение модуля аномальной эффективной дисперсии групповых скоростей экспоненциально спадает по длине оптического волокна.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021135274U RU210121U1 (ru) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021135274U RU210121U1 (ru) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU210121U1 true RU210121U1 (ru) | 2022-03-29 |
Family
ID=81076449
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021135274U RU210121U1 (ru) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU210121U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU221092U1 (ru) * | 2022-12-13 | 2023-10-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Волоконный усилитель на основе неоднородного по длине активного световода для усиления и временного сжатия частотно-модулированных импульсов пико- и фемтосекундной длительности |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1976140A (zh) * | 2005-09-20 | 2007-06-06 | 古河电子北美公司 | 采用大模面积光纤和高阶模的短脉冲激光器 |
US7450618B2 (en) * | 2001-01-30 | 2008-11-11 | Board Of Trustees Operating Michigan State University | Laser system using ultrashort laser pulses |
RU2486647C1 (ru) * | 2011-12-29 | 2013-06-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосистемы" | Полностью волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса |
RU137427U1 (ru) * | 2013-09-16 | 2014-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный университет" | Лазер с модулятором на основе волокна с уменьшающейся нормальной дисперсией |
RU150404U1 (ru) * | 2014-09-29 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (НГУ) | Волоконный компрессор частотно-модулированных лазерных импульсов |
RU187071U1 (ru) * | 2018-08-06 | 2019-02-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Генератор лазерных импульсов с элементом спектральной компрессии |
-
2021
- 2021-11-30 RU RU2021135274U patent/RU210121U1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7450618B2 (en) * | 2001-01-30 | 2008-11-11 | Board Of Trustees Operating Michigan State University | Laser system using ultrashort laser pulses |
CN1976140A (zh) * | 2005-09-20 | 2007-06-06 | 古河电子北美公司 | 采用大模面积光纤和高阶模的短脉冲激光器 |
RU2486647C1 (ru) * | 2011-12-29 | 2013-06-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосистемы" | Полностью волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса |
RU137427U1 (ru) * | 2013-09-16 | 2014-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный университет" | Лазер с модулятором на основе волокна с уменьшающейся нормальной дисперсией |
RU150404U1 (ru) * | 2014-09-29 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (НГУ) | Волоконный компрессор частотно-модулированных лазерных импульсов |
RU187071U1 (ru) * | 2018-08-06 | 2019-02-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Генератор лазерных импульсов с элементом спектральной компрессии |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU221092U1 (ru) * | 2022-12-13 | 2023-10-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Волоконный усилитель на основе неоднородного по длине активного световода для усиления и временного сжатия частотно-модулированных импульсов пико- и фемтосекундной длительности |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mollenauer et al. | Experimental observation of picosecond pulse narrowing and solitons in optical fibers | |
US6775447B2 (en) | All fiber low noise supercontinuum source | |
JP4897958B2 (ja) | 光パルス成形器の設計方法及び光パルス成形器 | |
CN101924319B (zh) | 一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光系统 | |
DE19802845A1 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen mit hoher Leistung mittels eines Lichtwellenleiter-Verstärkers | |
JP5193188B2 (ja) | 光パルス成型器、光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法 | |
US20040028356A1 (en) | Nonlinear optical device | |
CN103124044A (zh) | 频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器 | |
CN205081353U (zh) | 全光纤波长可调谐超短脉冲激光器 | |
Prince et al. | Comprehensive analysis of dual core photonic crystal fibers for optimizing optical properties towards highly coherent supercontinuum generation | |
RU210121U1 (ru) | Волоконная система компрессии частотно-модулированных лазерных импульсов на основе оптического волокна с записанной решеткой показателя преломления | |
Genty | Supercontinuum generation in microstructured fibers and novel optical measurement techniques | |
CN102025095A (zh) | 一种产生高能量脉冲的新型光纤激光系统 | |
CN112997113B (zh) | 基于光纤的超连续谱光源 | |
Liu et al. | Suppression of optical rogue waves by dispersion oscillating fiber in the mid-infrared supercontinuum | |
Yang et al. | Influence of dispersion slope on soliton spectral tunneling in photonic crystal fiber | |
RU210531U1 (ru) | Оптическая система для генерации лазерных импульсов высокой спектральной плотности | |
RU225571U1 (ru) | Кольцевой волоконный генератор последовательностей субпикосекундных импульсов с управляемой частотой следования | |
Zheltikov | Perturbative analytical treatment of adiabatically moderated soliton self-frequency shift | |
RU210166U1 (ru) | Генератор высокочастотных последовательностей ультракоротких лазерных импульсов на основе оптического световода с записанной решеткой показателя преломления | |
Fredrick et al. | 30 GHz Supercontinuum Generation for Astronomy with Efficient SiN Waveguides | |
RU221092U1 (ru) | Волоконный усилитель на основе неоднородного по длине активного световода для усиления и временного сжатия частотно-модулированных импульсов пико- и фемтосекундной длительности | |
Cao et al. | Bragg-soliton enhanced supercontinuum in an ultra-silicon-rich-nitride grating | |
Murphy et al. | Tunable frequency conversion in doped photonic crystal fiber pumped near degeneracy | |
Senthilnathan et al. | Chirped self-similar pulse propagation in cubic-quintic media |