RU218766U1 - Волоконный генератор последовательностей пикосекундных лазерных импульсов на основе кольцевого резонатора с активной фотонно-кристаллической вставкой - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области физики лазеров, в частности к созданию лазерных источников качественных последовательностей пикосекундных лазерных импульсов с высоким значением пиковой мощности и терагерцовой частотой повторения. Волоконный генератор последовательностей пикосекундных лазерных импульсов на основе кольцевого резонатора с активной фотонно-кристаллической вставкой, включающий в себя кольцевой резонатор, состоящий из электрооптического модулятора, активной фотонно-кристаллической структуры, изолятора, оптического ответвителя, а также волоконного каскада, состоящего из трех последовательно соединенных участков волокна, второй из которых является активным волокном. При этом активная фотонно-кристаллическая структура выполнена на основе полупроводникового фотонного кристалла GaAs/AlGaAs с волноводным слоем InAs/InGaAs с квантовыми точками и сочетает в себе функции оптического усилителя и оптического фильтра.

Предлагаемая модель генератора позволяет получать пикосекундные лазерные импульсы с терагерцевой частотой повторения из исходного непрерывного излучения со слабой амплитудной модуляцией. При этом амплитуда формируемых импульсов может на порядки превышать мощность исходного квазинепрерывного излучения. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области оптики, в частности к генерации качественных последовательностей пикосекундных лазерных импульсов с высоким значением пиковой мощности.

Одним из важнейших и перспективных направлений современной физики лазеров является разработка источников качественных последовательностей ультракоротких импульсов (УКИ) с высокими пиковыми мощностями. Одним из способов получения УКИ на практике является использование в оптических системах явления модуляционной неустойчивости (МН) - нелинейного процесса, приводящего к распаду непрерывной модулированной волны на последовательность отдельно взятых импульсов. При этом частотой повторения образующихся последовательностей импульсов можно эффективно управлять [I.S. Panyaev, D.A. Stoliarov, A.A. Sysoliatin, I.O. Zolotovskii, I. O., and D.A. Korobko, D. A. “High-frequency pulse train generation in dispersion-decreasing fibre: using experimental data for the metrology of longitudinally nonuniformfibre”, Quantum Electronics, 51(5), 427-433 (2021).].

Известна волоконная схема генерации излучения последовательностей пикосекундных импульсов, состоящая из кольцевого резонатора, включающего световод-модулятор, узкополосный усилитель, оптический фильтр и ответвитель и последовательно соединенный с кольцевым резонатором каскад активных и пассивных световодов (А.С. Абрамов, И.О. Золотовский, Д.А. Коробко, В.А. Камынин, В.А. Рибенек, А.А. Фотиади, В.С. Царев. «Генерация и динамика волновых пакетов с большой глубиной фазовой модуляции», Квантовая электроника, 52(5), 459-464 (2022)). Кольцевой резонатор генерирует слабомодулированное по амплитуде и сильномодулированное по фазе излучение, которое при распространении в каскаде световодов за счет его промежуточного усиления и конверсии фазовой модуляции в амплитудную распадается на устойчивую последовательность импульсов. Модель обеспечивает генерацию высокочастотных последовательностей пикосекундных импульсов с пиковыми мощностями на порядки превосходящими их начальные мощности. При этом частота следования формируемых УКИ с высокой степенью точности оказывается равной частоте используемого в резонаторе модулятора. Образующиеся последовательности УКИ будут иметь линейчатый спектр.

Известен способ генерации ультракоротких лазерных импульсов (В.В. Козлов, Н. Н. Розанов, С. Вабниц. Способ генерации ультракоротких световых импульсов. Патент РФ 2469450 от 10.12.2012), основанный на пассивной синхронизации мод внутри резонатора, состоящего из трех зеркал, усиливающей и поглощающей сред, фокусирующего элемента. Распространяющееся в резонаторе излучение после усиления фокусируется до подходящего радиуса пучка и проходит через поглощающую среду. Часть излучения выводится через одно из зеркал, которое является частично прозрачным. Система выходит в стационарный режим, когда полные потери импульса компенсируются при прохождении через усиливающую среду. Предлагаемый способ позволяет обеспечить генерацию ультракоротких импульсов со спектром шире спектра линии усиления.

Предложенные полезные модели имеют следующие существенные недостатки:

1. Малые значения пиковой мощности генерируемых импульсов.

2. При использовании узкополосного усилителя и фильтра в качестве отдельных элементов, входящих в состав кольцевого резонатора, необходимо строгое согласование их параметров. Наличие узкополосного усилителя существенно усложняет конструкцию кольцевого резонатора и не позволяет получать на выходе из оптической системы импульсы с большими пиковыми мощностями.

3. Предлагаемые модели не позволяют получать волновые пакеты с глубокой фазовой модуляцией, что в дальнейшем могло бы привести к формированию узких эквидистантных спектральных линий с различной яркостью и, как следствие, создание на основе данной модели моделей комб-генераторов - перспективных источников широкополосных линейчатых спектров.

Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.

Цель полезной модели: разработать систему для получения качественных последовательностей пикосекундных лазерных импульсов с длительностью порядка 1 пикосекунды, пиковой мощностью порядка 1 киловатта из изначально непрерывного излучения со слабой амплитудной и сильной фазовой модуляцией. Излучение с данными характеристиками генерируется в кольцевом резонаторе (мастер-осцилляторе) из изначально имеющихся в нем низкоамплитудных шумов.

Генерируемое мастер-осциллятором сильномодулированное по фазе излучение вводится в каскад световодов, где на определенной длине промежуточного усиления и конверсии фазовой модуляции в амплитудную происходит образование устойчивой последовательности импульсов. При этом также наблюдается резкое возрастание их пиковых мощностей. Усиливающее волокно, используемое в схеме, необходимо для увеличения средней мощности модулированного излучения, а также, соответственно, и пиковых мощностей, формируемых в результате дальнейшего развития МН импульсов.

Технический результат: разработка модели волоконного генератора, позволяющего получать на выходе устойчивые качественные последовательности пикосекундных импульсов с терагерцовой частотой повторения и пиковой мощностью отдельно взятого импульса порядка 1 киловатта.

Технический результат достигается за счет добавления в кольцевой резонатор (мастер-генератор) фотонно-кристаллической (ФК) структуры, выполненной на основе активных материалов - полупроводникового фотонного кристалла GaAs/AlGaAs c волноводным слоем InAs/InGaAs с квантовыми точками. Указанная ФК структура совмещает в себе функции двух элементов: оптических усилителя и фильтра. Причем функция пропускания ФК структуры существенно влияет на характеристики генерируемых импульсов.

Разработан волоконный генератор последовательностей пикосекундных лазерных импульсов, состоящий из кольцевого резонатора – мастер-генератора и последовательно соединенного с ним волоконного каскада, состоящего из трех участков световодов, второй из которых представлен активным волокном (фиг. 1). Кольцевой резонатор представлен элементами 1-4, которыми являются электрооптический модулятор 1, активная ФК структура 2, изолятор 3 и оптический ответвитель 4.

Волоконный генератор содержит активный элемент, который используется не как генератор, а как усилитель УКИ.

Электрооптический модулятор 1 необходим в схеме для достижения требуемого набега фазы и характеризуется функцией пропускания $$f=T_m\exp (i\delta \cos \Omega t)$$

, где $$\delta =-0.1$$

и $$\Omega =33.3\text{ГГц}$$

- глубина и частота модуляции соответственно, а $$T_m=0.8$$

- амплитудные потери на проход модулятора. Данный элемент в схеме представлен фазовым электрооптическим модулятором на основе кристалла ниобата лития (LiNbO₃), который функционирует в широком диапазоне длин волн 650-2000 нм, характеризуется низкими вносимыми потерями, способен производить модуляцию фазы с частотами до 40 ГГц, при этом режим его работы обеспечивается низким управляющим напряжением до 5 В.

Элементом резонатора 2 является ФК вставка и представляет собой активную среду на основе периодической структуры. Подобная структура представлена двумерным полупроводниковым фотонным кристаллом GaAs/AlGaAs с гексагональной решеткой субмикрометровых отверстий. В волноводном слое планарной структуры путем травления помещены ряды самоорганизующихся квантовых точек InAs/InGaAs в качестве активной области [С. А. Блохин и др. Оптические исследования двумерного фотонного кристалла с квантовыми точками InAs/InGaAs в качестве активной области. ФТП. 2006. Т. 7. С. 833]. Данный элемент обеспечивает требуемый баланс энергии в резонаторе, а именно компенсирует потери энергии, возникающие на фазовом модуляторе, потери при дальнейшей фильтрации образующейся последовательности импульсов, а также при выводе части излучения из резонатора на каждом проходе. Типичный спектр прохождения фотонного кристалла характеризуется ярко выраженной запрещенной зоной. В связи с этим, активная структура будет также выполнять и роль оптического фильтра. Для получения генерации необходимо, чтобы частота запрещенной зоны фотонного кристалла не превышала частоту модуляции.

Изолятор 3 необходим для однонаправленного режима распространения излучения в резонаторе. Через оптический ответвитель 4 осуществляет вывод 1% излучения за каждый проход.

Таким образом, изначально имеющееся в резонаторе излучение - набор низкоамплитудных шумов, начинает распространяться по кольцевой траектории. Через большое количество проходов $$N>2000$$

характеристики излучения перестают изменяться при дополнительных проходах по резонатору и система выходит в режим устойчивой генерации. В этом случае на выходе формируются волновые пакеты, представляющие собой непрерывное слабомодулированное по амплитуде излучение с приобретенной глубокой фазовой модуляцией.

Волоконный каскад соединен с выходом кольцевого резонатора и представлен тремя последовательно соединенными участками оптического волокна. Первым и третьим участком каскада являются стандартные пассивные волокна - элементы схемы 5 и 7 соответственно с постоянной аномальной дисперсией групповых скоростей $${\beta }_2=-1\cdot {10}^{-26}{\text{с}}^{\text{2}}\text{/м}$$

и керровской нелинейностью $$R=0.005{\text{(Вт}\cdot \text{м)}}^{\text{-1}}$$

. Длина первого участка волокна составляет 800 м, третьего - 200 м. В качестве второго участка каскада (6 элемент схемы) выбраны три активных волокна длиной 1 м, постоянной нормальной дисперсией групповых скоростей $${\beta }_2=1\cdot {10}^{-26}{\text{с}}^{\text{2}}\text{/м}$$

, аналогичным значением керровской нелинейности, но с различными ширинами линии усиления $$\Delta \omega = 4\cdot {10}^{11};{10}^{12};5\cdot {10}^{12} {\text{c}}^{\text{-1}}$$

. Каждое из активных волокон характеризуется коэффициентом усиления $$g_0=4{\text{m}}^{-1}$$

и поочередно рассматривается как 6 элемент каскада.

Далее выдаваемое волоконным генератором непрерывное слабомодулированное по амплитуде и сильномодулированное по фазе излучение вводится в волоконный каскад (элементы 5-7). Распространяемое в каскаде световодов излучение претерпевает промежуточное усиление в активном сегменте и конверсию фазовой модуляции в амплитудную, вследствие чего на длине L _com пассивного волокна 7 происходит резкий рост амплитуды образовавшейся устойчивой последовательности УКИ. Длина L _com будет зависеть от параметров волоконного каскада, в первую очередь от значений коэффициента усиления и ширины линии усиления в активном волокне 6, а также от значений аномальной дисперсии групповых скоростей в пассивных волокнах 5 и 7. Механизм генерации лазерного излучения аналогичен механизму пассивной синхронизация мод, но за пределами кольцевого резонатора. При соблюдении всех требований к параметрам кольцевого резонатора и волоконного каскада световодов, на выходе из системы будут наблюдаться качественные и устойчивые последовательности лазерных импульсов с пикосекундной длительностью.

На фиг. 2 представлены образованные последовательности УКИ, прошедшие кольцевой резонатор и волоконный каскад, где в качестве элемента 6 поочередно были рассмотрены три активных волокна со значениями ширины линии усиления $$\Delta \omega = 4\cdot {10}^{11};{10}^{12};5\cdot {10}^{12} {\text{с}}^{\text{-1}}$$

(кривые 8-10). Частота следования импульсов определяется частотой модуляции $$\Omega =33.3\text{ГГц}$$

электрооптического модулятора 1, входящего в состав кольцевого резонатора. Пиковые значения мощности определяются шириной линии усиливающего волокна 6. Так, ширине линии $$\Delta \omega = 5\cdot {10}^{12} {\text{с}}^{\text{-1}}$$

будут соответствовать пиковые мощности УКИ $$P\approx 0.8\text{кВт}$$

. Поэтому оптимальным является использование в каскаде световодов усилителей с максимально большой шириной линии усиления, т.к. именно они позволяют достичь самых высоких значений пиковой мощности УКИ. Таким образом, поставленная цель, заключающаяся в получении последовательностей УКИ с пиковыми мощностями порядка 1 киловатта, достигнута.

Предложенный волоконный генератор последовательностей пикосекундных лазерных импульсов на основе кольцевого резонатора с активной фотонно-кристаллической вставкой обладает лучшими характеристиками, чем существующие аналоги, прежде всего устойчивыми качественными последовательностями пикосекундных импульсов с частотой терагерцовой частотой повторения и пиковой мощностью отдельно взятого импульса порядка 1 киловатта.

Claims (1)

1. Волоконный генератор последовательностей пикосекундных лазерных импульсов на основе кольцевого резонатора с активной фотонно-кристаллической вставкой, включающий в себя кольцевой резонатор, состоящий из электрооптического модулятора, активной фотонно-кристаллической структуры, изолятора, оптического ответвителя, а также волоконного каскада, состоящего из трех последовательно соединенных участков волокна, второй из которых является активным волокном, отличающийся тем, что активная фотонно-кристаллическая структура выполнена на основе полупроводникового фотонного кристалла GaAs/AlGaAs с волноводным слоем InAs/InGaAs с квантовыми точками и сочетает в себе функции оптического усилителя и оптического фильтра.

Images