RU210166U1

RU210166U1 - GENERATOR OF HIGH-FREQUENCY SEQUENCES OF ULTRASHORT LASER PULSES BASED ON AN OPTICAL FIBER WITH A RECORDED REFRACTIVE INDEX GRATING

Info

Publication number: RU210166U1
Application number: RU2021135277U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Абрамов; Игорь Олегович Золотовский; Дмитрий Александрович Коробко; Андрей Александрович Фотиади
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-03-30

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным генераторам высокочастотных последовательностей ультракоротких солитоноподобных лазерных импульсов.Генератор последовательностей ультракоротких лазерных импульсов на основе оптического световода с записанной решеткой показателя преломления включает в себя следующие конструктивные элементы: лазерный источник, обеспечивающий генерацию маломощного слабомодулированного излучения, первый пассивный световод DDF-типа без усиления, предназначенный для обеспечения требуемого модуляционного усиления на начальной стадии развития модуляционной неустойчивости. Пассивный световод последовательно соединен с каскадом из двух периодических световодов, в которых сформированы внутриволоконные решетки показателя преломления. Первый световод из каскада является усиливающим с постоянной величиной усиления и характеризуется плавным ростом дисперсии групповых скоростей за счет плавного убывания периода записанных решеток. Второй световод из каскада является пассивным и характеризуется плавным убыванием дисперсии групповых скоростей за счет такого же плавного возрастания периода записанных решеток. Последним элементом схемы является пассивное волокно, в котором реализуется финальная стадия компрессии.Рассмотрена возможность получения высокочастотной последовательности ультракоротких лазерных импульсов с пиковыми мощностями, значительно превышающими «фоновую» мощность волны накачки за счет реализации режима модуляционной неустойчивости (МН) в активных (усиливающих) световодах со сформированными внутриволоконными решетками ПЛ. Возможность генерации высокочастотной последовательности пико- и субпикосекундных импульсов возникает в условиях развитой фазы МН.The utility model relates to laser technology, in particular to fiber generators of high-frequency sequences of ultrashort soliton-like laser pulses. The generator of ultrashort laser pulse sequences based on an optical fiber with a recorded refractive index grating includes the following structural elements: a passive DDF-type light guide without amplification, designed to provide the required modulation gain at the initial stage of the development of modulation instability. The passive light guide is connected in series with a cascade of two periodic light guides, in which intrafiber refractive index gratings are formed. The first fiber from the cascade is amplifying with a constant gain and is characterized by a smooth increase in the group velocity dispersion due to a smooth decrease in the period of the recorded gratings. The second fiber from the cascade is passive and is characterized by a smooth decrease in the group velocity dispersion due to the same smooth increase in the period of the recorded gratings. The last element of the scheme is a passive fiber, in which the final stage of compression is realized. The possibility of obtaining a high-frequency sequence of ultrashort laser pulses with peak powers significantly exceeding the "background" power of the pump wave due to the implementation of the modulation instability (MI) mode in active (amplifying) fibers with formed intrafiber gratings PL. The possibility of generating a high-frequency sequence of pico- and subpicosecond pulses arises under conditions of a developed MI phase.

Description

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным генераторам высокочастотных последовательностей ультракоротких солитоноподобных лазерных импульсов.The utility model relates to laser technology, in particular to fiber generators of high-frequency sequences of ultrashort soliton-like laser pulses.

Одним из перспективных способов генерации последовательностей ультракоротких импульсов с высокой частотой следования является использование эффекта модуляционной неустойчивости (МН) в одномодовых волоконных световодах с непрерывно убывающей по длине дисперсией. Данный эффект заключается в распаде модулированной волны, распространяющей в нелинейном световоде, на последовательность ультракоротких импульсов (УКИ). При этом частота следования генерируемых импульсов соответствует частоте модуляции исходной волны. В процессе распространения излучения в волокне процесс сжатия импульсов циклически сменяется процессом дисперсионного уширения. Для световодов с дисперсией, убывающей по модулю вдоль длины волокна, нарушение симметрии дисперсионного распределения приводит к необратимой компрессии импульсов. Таким образом, одномодовые нелинейные световоды с убывающей аномальной дисперсией являются перспективными источниками для генерации высокочастотных последовательностей ультракоротких лазерных импульсов с высокой пиковой мощностью.One of the promising methods for generating sequences of ultrashort pulses with a high repetition rate is the use of the effect of modulation instability (MI) in single-mode fibers with a dispersion continuously decreasing along the length. This effect consists in the decay of a modulated wave propagating in a nonlinear fiber into a sequence of ultrashort pulses (USPs). In this case, the repetition rate of the generated pulses corresponds to the modulation frequency of the original wave. During the propagation of radiation in the fiber, the process of pulse compression is cyclically replaced by the process of dispersive broadening. For fibers with a dispersion that decreases in absolute value along the length of the fiber, the violation of the symmetry of the dispersion distribution leads to irreversible pulse compression. Thus, single-mode nonlinear fibers with decreasing anomalous dispersion are promising sources for generating high-frequency sequences of ultrashort laser pulses with a high peak power.

Известна конструкция генератора высокочастотных последовательностей ультракоротких импульсов солитонного типа [Опт. и спектр., 2017, том 122, №3, с. 135-142]. Основными элементами лазера являются генератор модулированного излучения накачки, устройство ввода излучения в световод, одномодовое нелинейное оптическое волокно с уменьшающейся по экспоненциальному закону аномальной дисперсией и устройство вывода излучения. Принцип генерации импульсов заключается в том, что при совместном действии нелинейных и дисперсионных эффектов происходит распад квазинепрерывной модулированной волны на последовательность ультракоротких импульсов, сопровождающейся одновременным уширением спектра.A known design of the generator of high-frequency sequences of ultrashort pulses of the soliton type [Opt. i spektr., 2017, volume 122, no. 3, p. 135-142]. The main elements of the laser are a generator of modulated pump radiation, a device for inputting radiation into an optical fiber, a single-mode nonlinear optical fiber with an exponentially decreasing anomalous dispersion, and a device for outputting radiation. The principle of pulse generation is that, under the combined action of nonlinear and dispersion effects, a quasi-continuous modulated wave decays into a sequence of ultrashort pulses, accompanied by a simultaneous broadening of the spectrum.

Недостатками данной модели являются:The disadvantages of this model are:

1) Необходимость использования неоднородных волокон большой длины, что неизбежно приводит к повышению потерь.1) The need to use non-uniform fibers of great length, which inevitably leads to increased losses.

2) Невозможность достижения высокой степени сжатия начального импульса.2) The impossibility of achieving a high degree of compression of the initial pulse.

3) Сравнительно малые значения пиковой мощности генерируемых последовательностей импульсов.3) Relatively low values of the peak power of the generated pulse sequences.

Для устранения указанных недостатков предложена данная полезная модель, предполагающая наличие двух оптических световодов с записанными решетками показателя преломления, последовательно соединенных с пассивным волокном с убывающим профилем аномальной дисперсии групповых скоростей (DDF-световод).To eliminate these shortcomings, this utility model is proposed, assuming the presence of two optical fibers with recorded refractive index gratings connected in series with a passive fiber with a decreasing profile of anomalous group velocity dispersion (DDF fiber).

Основной целью данной полезной модели является увеличение степени сжатия генерируемых импульсов и повышение их пиковой мощности.The main purpose of this utility model is to increase the degree of compression of the generated pulses and increase their peak power.

Технический результат: повышение модуляционного усиления на начальной стадии развития модуляционной неустойчивости.EFFECT: increased modulation gain at the initial stage of development of modulation instability.

Технический результат достигается за счет замены волокна-модулятора с уменьшающейся по модулю аномальной дисперсией на модулятор, состоящий из последовательно соединенных волокон с аномальной изменяющейся по модулю дисперсией (DDF-световоды) и активного световода с записанной решеткой изменения показателя преломления волокна с аномальной экспоненциально уменьшающейся по модулю дисперсией.The technical result is achieved by replacing the modulator fiber with anomalous dispersion decreasing in modulus with a modulator consisting of series-connected fibers with anomalous modulo-changing dispersion (DDF fibers) and an active fiber with a recorded refractive index grating of the fiber with an anomalous exponentially decreasing modulus dispersion.

Схема предлагаемой полезной модели лазера приведена на фиг. 1. Здесь 1 - генератор модулированного излучения накачки, 2 - устройство ввода излучения в периодическую структуру (DDF-световод), 3 - оптическое волокно с постоянным значением усиления, плавно убывающим периодом и возрастающей дисперсией групповых скоростей, 4 - пассивное оптическое волокно без усиления, плавно возрастающим периодом и убывающей дисперсией групповых скоростей, 5 - устройство вывода излучения, которым является второй пассивный световод, где реализуется сильная временная компрессия импульса. The scheme of the proposed utility model of the laser is shown in Fig. 1. Here 1 is a generator of modulated pump radiation, 2 is a device for inputting radiation into a periodic structure (DDF fiber), 3 is an optical fiber with a constant gain value, a smoothly decreasing period and an increasing group velocity dispersion, 4 is a passive optical fiber without amplification, smoothly increasing period and decreasing dispersion of group velocities, 5 - radiation output device, which is the second passive light guide, where a strong temporal pulse compression is implemented.

Отличие от прототипа заключается в замене волокна-модулятора с экспоненциально убывающей дисперсией на волокно, состоящее из двух последовательно соединенных волокон: с постоянной дисперсией и экспоненциально убывающей по длине волокна дисперсией.The difference from the prototype is to replace the fiber-modulator with exponentially decreasing dispersion fiber, consisting of two series-connected fibers: with constant dispersion and exponentially decreasing dispersion along the length of the fiber.

1 - источник слабомодулированного излучения.1 - source of weakly modulated radiation.

2 - световод с экспоненциально убывающим профилем дисперсии (DDF-световод).2 - light guide with an exponentially decreasing dispersion profile (DDF light guide).

3 - усиливающее оптическое волокно с плавно убывающим периодом.3 - amplifying optical fiber with a smoothly decreasing period.

4 - пассивное оптическое волокно с плавно возрастающим периодом.4 - passive optical fiber with a smoothly increasing period.

5 - пассивный световод - элемент для финальной компрессии.5 - passive light guide - an element for the final compression.

В предлагаемой полезной модели эффективная компрессия ЧМИ реализуется за счет последовательно размещенных оптических световодов с записанными решетками показателя преломления и с симметричными относительно друг друга профилями дисперсии групповых скоростей. На фиг. 2 схематично изображен рассматриваемый волноводный каскад, представляющий собой два периодических световода одинаковой длины L со сформированными в них внутриволоконными решетками показателя преломления (фиг. 2, вставка), период Λ которых изменяется в соответствии с фиг. 2а.In the proposed utility model, effective HMI compression is implemented by sequentially placed optical fibers with recorded refractive index gratings and with group velocity dispersion profiles that are symmetric with respect to each other. In FIG. 2 schematically shows the waveguide cascade under consideration, which consists of two periodic fibers of the same length L with intrafiber refractive index gratings formed in them (Fig. 2, inset), the period Λ of which varies in accordance with Fig. 2a.

Плавное убывание периода решеток до некоторого минимального значения отвечает росту ДГС и существенному увеличению пиковой мощности начальной амплитуды. Возрастание периода до начальных значений приводил к спаду ДГС. В результате указанных изменений периода внутриволоконных решеток ПП реализуется сильная временная компрессия и выделение качественной последовательности ЧМИ. Первый световод характеризуется постоянным однородным усилением по всей длине g₁>0 и плавно уменьшающимся периодом решеток, второй световод является пассивным g₂=0 с плавно увеличивающимся периодом решеток ПП симметрично первому участку. Причем период отдельных решеток подбирался таким образом, чтобы изменение ДГС можно было также аппроксимировать некоторыми экспоненциальными профилями вида β₂=β₂₀ ехр(±qz). Скорость изменения дисперсии q подбиралась численно и составляет q≈0.307 см^-1. Первый световод характеризуется плавно уменьшающимся периодом решеток с 530.6 нм до 517.3 нм, вследствие чего ДГС возрастает на 3 порядка. На втором сегменте ДГС, напротив, претерпевает экспоненциальный спад до первоначального значения β₂₀.A smooth decrease in the grating period to a certain minimum value corresponds to an increase in the GVD and a significant increase in the peak power of the initial amplitude. An increase in the period to the initial values led to a decrease in the GVD. As a result of these changes in the period of intrafiber gratings of PP, a strong temporal compression and separation of a qualitative HMI sequence are realized. The first fiber is characterized by a constant uniform gain along the entire length g ₁ >0 and a smoothly decreasing grating period, the second fiber is passive g ₂ =0 with a smoothly increasing grating period PP symmetrically to the first section. Moreover, the period of individual gratings was selected in such a way that the change in the GVD could also be approximated by some exponential profiles of the form β ₂ =β ₂₀ exp(±qz). The rate of change of dispersion q was selected numerically and is q≈0.307 cm ^-1 . The first fiber is characterized by a smoothly decreasing grating period from 530.6 nm to 517.3 nm, as a result of which the GVD increases by 3 orders of magnitude. In the second segment, the DHS, on the contrary, undergoes an exponential decline to the initial value of β ₂₀ .

Для практической реализации режима генерации ЧМИ в волоконную систему наряду с рассмотренным выше каскадом из периодических световодов может быть включен дополнительный пассивный элемент, представляющий собой участок волокна DDF типа с плавно убывающей дисперсией второго порядка. Слабомодулированное излучение от источника 1 подается на вход протяженного волокна DDF (элемент 2), после его прохождения за счет первичной временной компрессии происходит начальный процесс формирования последовательности ЧМИ с практически линейной частотной модуляцией (фиг. 3, кривая 1). Далее излучение подается в усиливающий световод 3, где наблюдается значительное повышение мощности последовательности импульсов (фиг. 3, кривая 2). Последним этапом является прохождение 3 и 4 элементов предлагаемой схемы, где реализуется незначительным временным сжатием импульсов и соответствующее возрастанием выходной пиковой мощности импульсов (фиг. 3, кривая 2). Параметры DDF волокна: длина l=1670 м, нелинейность R=0.001 1/(В⋅м), начальное значение дисперсии β₂₀=-5⋅10^-26 с²/м, конечное значение дисперсии β₂=-1⋅10^-27 с²/м.For the practical implementation of the HMI generation mode, in addition to the cascade of periodic fibers considered above, an additional passive element can be included in the fiber system, which is a section of a DDF type fiber with a smoothly decreasing dispersion of the second order. Weakly modulated radiation from source 1 is fed to the input of an extended DDF fiber (element 2), after its passage due to primary time compression, the initial process of forming an HMI sequence with almost linear frequency modulation occurs (Fig. 3, curve 1). Next, the radiation is fed into the amplifying fiber 3, where a significant increase in the power of the pulse train is observed (Fig. 3, curve 2). The last stage is the passage of elements 3 and 4 of the proposed circuit, where it is implemented by a slight temporal compression of the pulses and a corresponding increase in the output peak power of the pulses (Fig. 3, curve 2). DDF fiber parameters: length l=1670 m, non-linearity R=0.001 1/(V⋅m), initial dispersion value β ₂₀ =-5⋅10 ^-26 s ² /m, final dispersion value β ₂ =-1⋅10 ^{- 27} s ² /m.

Параметры усилителя: длина l=0.2 см, нелинейность R=0.001 1/(В⋅м), начальное значение дисперсии β₂₀=-1⋅10^-27 с²/м, конечное значение дисперсии β₂=-1⋅10^-23 с²/м, параметр усиления g=0.06 см^-1.Amplifier parameters: length l=0.2 cm, non-linearity R=0.001 1/(V⋅m), initial dispersion value β ₂₀ =-1⋅10 ^-27 s ² /m, final dispersion value β ₂ =-1⋅10 ^-23 s ² /m, gain parameter g=0.06 cm ^-1 .

Важным параметром в данной схеме является длина пассивного волокна, от выбора которой зависит степень компрессии импульсов, поступающих в усиливающий сегмент. При малых значениях длин волокна (до 1000 м при выбранных расчетных параметрах) характеристики модулированного излучения, прошедшего первый этап, практически не изменяются и дальнейшая компрессия может происходить и без участка пассивного волокна. На больших длинах (свыше 2000 м) реализуется высокая степень компрессии ЧМИ, т.е. уже выделяется устойчивая последовательность ЧМИ с фиксированным значением пиковой мощности. Дальнейшее усиление в этом случае приводит к возникновению существенных фоновых искажений и распаду последовательности.An important parameter in this scheme is the length of the passive fiber, the choice of which determines the degree of compression of pulses entering the amplifying segment. For small fiber lengths (up to 1000 m for the selected design parameters), the characteristics of the modulated radiation that has passed the first stage remain practically unchanged, and further compression can occur without a passive fiber section. At long distances (over 2000 m), a high degree of HMI compression is realized; already allocated a stable HMI sequence with a fixed value of peak power. Further amplification in this case leads to the appearance of significant background distortions and the decay of the sequence.

Замена начального отрезка волокна с убывающей дисперсией на сегмент волокна с постоянной аномальной дисперсией способствует повышению модуляционного усиления на данном участке. Дополнительный выигрыш связан со снижением потерь из-за использования неоднородного волокна меньшей длины. В итоге, как можно видеть, технический результат достигается за счет использования световода-модулятора из последовательно соединенных секций с аномальной постоянной и экспоненциально уменьшающейся по модулю дисперсией. Как следствие, удается значительно увеличить пиковую мощность генерируемых импульсов.Replacing the initial fiber segment with decreasing dispersion with a fiber segment with constant anomalous dispersion contributes to an increase in the modulation gain in this section. An additional gain is associated with a reduction in losses due to the use of a shorter non-uniform fiber. As a result, as you can see, the technical result is achieved through the use of a light guide-modulator of series-connected sections with an anomalous constant and dispersion that decreases exponentially in absolute value. As a result, it is possible to significantly increase the peak power of the generated pulses.

Таким образом, поставленная цель достигнута. Показано, что при использовании в волоконном генераторе последовательностей ультракоротких импульсов однородного волокна премодулятора с аномальной постоянной по модулю дисперсией обеспечивается генерация субтерагерцевой последовательностей импульсов с более высокой степенью сжатия и пиковой мощностью, чем при использовании одиночных неоднородных световодов.Thus, the goal has been achieved. It is shown that when a homogeneous premodulator fiber with an anomalous dispersion constant in absolute value is used in a fiber generator of ultrashort pulse sequences, generation of sub-terahertz pulse sequences with a higher compression ratio and peak power is provided than when using single inhomogeneous fibers.

Claims

The generator of high-frequency sequences of ultrashort laser pulses based on an optical fiber with a recorded refractive index grating includes a laser source that provides the generation of low-power weakly modulated radiation, the first passive fiber through which the modulated radiation is introduced into the optical fiber, amplifying and passive optical fibers with refractive index gratings, the second passive fiber-compressor, which performs temporal compression of the frequency-modulated pulse, characterized in that the first passive fiber is a DDF fiber with an exponentially decreasing profile of anomalous group velocity dispersion to provide modulation gain at the initial stage of development of modulation instability.