RU2687991C1 - Способ определения времени релаксации плёночного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации - Google Patents

Способ определения времени релаксации плёночного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации Download PDF

Info

Publication number
RU2687991C1
RU2687991C1 RU2017140435A RU2017140435A RU2687991C1 RU 2687991 C1 RU2687991 C1 RU 2687991C1 RU 2017140435 A RU2017140435 A RU 2017140435A RU 2017140435 A RU2017140435 A RU 2017140435A RU 2687991 C1 RU2687991 C1 RU 2687991C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
laser
relaxation time
absorber
resonator
Prior art date
Application number
RU2017140435A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Алексеевич Дворецкий
Станислав Григорьевич Сазонкин
Александр Анатольевич Крылов
Алексей Борисович Пнев
Валерий Ефимович Карасик
Original Assignee
Дмитрий Алексеевич Дворецкий
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Алексеевич Дворецкий filed Critical Дмитрий Алексеевич Дворецкий
Priority to RU2017140435A priority Critical patent/RU2687991C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2687991C1 publication Critical patent/RU2687991C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области лазерной техники и касается способа определения времени релаксации пленочного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации солитонов. Лазер включает в себя лазерный диод накачки и волоконный кольцевой резонатор с суммарной отрицательной дисперсией групповых скоростей резонатора. Лазер работает в режиме генерации солитонов и имеет общую дисперсию групповых скоростей резонатора при которой минимально возможная длительность импульса будет меньше типичного времени релаксации исследуемого просветляющегося поглотителя. При осуществлении способа определяют асимптоту при аппроксимации данных о зависимости длительности импульсов от их энергии при изменении выходной мощности лазерного диода накачки. Значение асимптоты экспоненциальной функции эквивалентно времени релаксации пленочного просветляющегося поглотителя. Технический результат заключается в упрощении конструкции стенда для проведения измерений. 2 ил.

Description

Область техники
Способ относится к способам измерения и контроля, используемым в исследованиях просветляющихся поглотителей на основе пленок для измерения значения времени релаксации. Просветляющиеся поглотители в виде пленок с находят широкое применение в создании фемтосекундных лазеров, так как обладают рядом преимуществ относительно других просветляющихся поглотителей, используемых в фемтосекундных лазерах. Наиболее ярким представителем пленочных просветляющихся поглотителей являются полимерный пленки с диспергированными в них одностенными углеродными нанотрубками или графен.
Уровень техники
Принцип работы просветляющихся поглотителей заключается в том, что он имеет высокое значение коэффициента поглощения для излучения с низкой интенсивностью и низкое значение коэффициента поглощения для излучения с большой интенсивностью. Такая особенность работы обусловлена насыщением просветляющегося поглотителя под действием высокой интенсивности излучения. Используя эту особенность можно осуществлять механизм дискриминации мод для реализации пассивной синхронизации мод в лазерах ультракоротких импульсов, также добиться сокращения длительности импульсов лазеров путем поглощения части излучения переднего и заднего фронтов импульсов, где их интенсивность не достаточна для просветления. Просветляющиеся поглотители могут использоваться в различных лазерных системах для создания импульсной генерации или коррекции ультракоротких импульсов. Важнейшей характеристикой просветляющегося поглотителя является время релаксации, это время, за которое коэффициент поглощение восстанавливается в е раз (2,718 раз) после достижения насыщения. Знание времени релаксации просветляющегося поглотителя является важной информацией для реализации схем лазеров с устойчивой генерацией ультракоротких импульсов.
На сегодняшний день для измерения времени релаксации применяют метод «возбуждение-зондирование» (в зарубежной литературе "pump-probe"). В методе используется импульсный лазерный источник с ультракороткой длительностью импульса, излучение которого делится на две части. Возбуждающий импульс обеспечивает насыщение просветляющегося поглотителя, а зондирующий импульс подходит к исследуемому просветляющемуся поглотителю через заданное при помощи линии задержки время после возбуждающего импульса. По разности интенсивности исходного зондирующего импульса и зондирующего импульса, прошедшего через просветляющийся поглотитель, можно судить о времени релаксации. Данный метод описывается в патенте США US 8982451 В2 от 17.03.2015, а также в патенте US 7961379 В2 14.06.2011. К недостаткам этого метода можно отнести использование многокомпонентной измерительной схемы, которая включает в себя точную оптическую линию задержки, систему синхронизации, а также сложный приемный канал. Достоинством данного метода является точность измерения времени релаксации просветляющегося поглотителя.
Для реализации разработанного способа измерения времени релаксации необходимо использовать волоконный фемтосекундный лазер, схожие схемы которого представлены в патентах США US 2012/0039344 А1 от 16 февраля 2012 и US 2010/0296527 А1 25 ноября 2010.
Раскрытие изобретения
Задачей способа является упрощение схемы стенда для измерения времени релаксации просветляющихся поглотителей на основе пленок.
Технический результат - упрощение конструкции и удешевление измерительного стенда для измерения времени релаксации просветляющихся поглотителей на основе пленок.
Технический результат достигается за счет того, что в качестве измерительного стенда используется волоконный фемтосекундный лазер, работающий режиме генерации солитонов, с использованием исследуемой пленки в качестве просветляющегося поглотителя, с подключенными к нему измерительными приборами, такими как: автокоррелятор и измеритель оптической мощности излучения.
Способ определения времени релаксации пленочного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации солитонов, заключается в измерении длительности импульсов волоконного фемтосекундного лазера при различных энергиях импульсов, в резонатор которого установлен модуль с исследуемыми пленками. В качестве фемтосекундного лазера необходимо использовать волоконный кольцевой фемтосекундный лазер, работающий в режиме генерации солитонов. В состав волоконного кольцевого лазера должны входить активное и пассивное волокна с отрицательной дисперсией групповых скоростей (ДГС) (необходимое условие для реализации режима генерации солитонов). Последовательность расположения элементов в волоконном лазере (фиг. 1), используемом для измерения времени релаксации, может быть по необходимости изменена, но все они должны быть включены в схему. Выбор режима генерации солитонов связан с тем, что данный режим обладает хорошей устойчивостью генерации, легко реализуется и имеет высокую повторяемость результатов. Для определения времени релаксации просветляющегося поглотителя необходимо установить исследуемую пленку в модуль. Далее получить устойчивый режим генерации фемтосекундных импульсов при минимально возможной мощности накачки и измерить длительность импульса. После того как устойчивая генерация была получена, постепенно увеличивается мощность лазера накачки с определенным шагом при этом измеряем длительность импульсов волоконного лазера и среднюю выходную мощность фемтосекундного лазера при каждом увеличении мощности лазера накачки. Увеличение мощности лазера накачки производится до того момента, когда уже нет возможности получить устойчивую генерацию. На базе измеренных данных о длительности импульса, средней мощности и частоте следования импульсов (высчитывается из длины резонатора фемтосекундного лазера, при условии одноимпульсной генерации) вычисляется энергия импульса и соотносится с его длительностью. Полученные данные аппроксимируются экспоненциальной функцией.
Согласно исследованиям, полученным работе (Alexander A. Krylov, Stanislav G. Sazonkin, Natalia R. Arutyunyan, Vyacheslav V. Grebenyukov, Anatoly S. Pozharov, Dmitry A. Dvoretskiy, Elena D. Obraztsova, and Evgeny M. Dianov, "Performance peculiarities of carbon-nanotube-based thin-film saturable absorbers for erbium fiber laser mode-locking," J. Opt. Soc. Am. В 33, 134-142 (2016)) значение асимптоты to (аналогичное значение то показано на фиг. 2) можно интерпретировать как время релаксации просветляющегося поглотителя. Таким образом определяется время релаксации исследуемого просветляющегося поглотителя.
Важной особенностью волоконного фемтосекундного лазера, участвующего в измерении времени релаксации, является значение общей ДГС резонатора. Так как волоконный лазер работает в режиме генерации солитонов, то общая ДГС резонатора имеет отрицательное значение. В тоже время, из работы (V.J. Matsas, W.Н. Loh, and D.J. Richardson, "Self-starting, Passively Mode-Locked Fabry-Perot Fiber Soliton Laser Using Nonlinear Polarization Evolution," IEEE Photon Technol Letts 5, 492-494 (1993)) известно, что минимальная длительность импульса солитонного лазера зависит от значения общей ДГС резонатора и вычисляется по формуле:
Figure 00000001
где βТ - общая ДГС резонатора лазера (в пикосекундах в квадрате). Таким образом, общая ДГС резонатора должна быть подобрана таким образом, чтобы минимальная длительность импульса, определяемая значением ДГС была существенно меньше, чем то для исследуемых просветляющихся поглотителей. Например, типичное время релаксации просветляющегося поглотителя на основе одностенных углеродных нанотрубок при возбуждении на длине волны 1550 нм составляет около 500 фс. Для исследования таких поглотителей оптимально использовать резонаторы, в которых общее значение ДГС имеет небольшое отрицательное значение. При значение общей ДГС резонатора βТ≈-0,1 пс2, минимальная длительность импульса составляет примерно 200 фс.
Таким образом, можно отметить следующие существенные отличия предлагаемого технического решения от метода "возбуждение-зондирование", которое выбрано в качестве прототипа:
1. Отсутствие в схеме измерительного стенда высокоточных узлов, а также отсутствие необходимости в тонких юстировках стендового оборудования при замене исследуемого образца.
2. Использование разработанного способа в условиях лаборатории, которая занимается исследованием и разработкой волоконных фемтосекундных лазеров, возможно без дополнительных затрат на дорогостоящее оборудование, так как автокоррелятор и измеритель оптической мощности являются основными инструментами для исследования волоконных фемтосекундных лазеров.
Перечень фигур
На фиг. 1 изображена структурно-функциональная схема кольцевого волоконного лазера, используемого для получения данных о параметрах пленки просветляющегося поглотителя.
На фиг. 2 изображен пример аппроксимации данных о длительности и энергии импульсов, а также асимптота то, которую можно интерпретировать как время релаксации просветляющегося поглотителя.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана одна из возможных схем для реализации способа определения времени релаксации пленочного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации солитонов. Полностью волоконный кольцевой фемтосекундный лазер состоит из источника накачки, активного оптического одномодового волокна, пассивного оптического одномодоводого волокна, мультиплексора, оптического разветвителя, оптического изолятора, модуля для установки пленочного просветляющегося поглотителя, контроллера поляризации. Излучение лазера накачки через мультиплексор подводится к активному волокну, таким образом в активном волокне создается инверсная населенность. После активного волокна устанавливается оптический изолятор, который обеспечивает однонаправленную генерацию в лазере. Далее располагается оптический разветвитель, при помощи которого из резонатора выводится часть излучения и поступает на измерительное оборудование (на автокоррелятор и измеритель мощности оптического излучения излучение поступает через дополнительный разветвитель). Часть излучения, оставшееся в резонаторе лазера, поступает в пассивное оптическое волокно, необходимое для создания требуемого значения общей ДГС резонатора. Модуль, в котором находятся исследуемые пленки, располагается после пассивного волокна и перед мультиплексором, таким образом кольцевой резонатор замыкается. Сам модуль состоит из двух коннекторов АРС, между которыми зажимается пленка с исследуемым просветляющимся поглотителем. В модуле необходимо использовать именно коннекторы АРС, так как в таком случае отсутствует обратное отражение в резонаторе лазера.
Автокоррелятор, необходимый для проведения измерений должен обладать соответствующей чувствительностью и возможностью измерять длительности импульсов в диапазонах от 100 до 1000 фс с погрешностью не более 5%. Измеритель мощности оптического излучения необходим для измерения средней мощности выходного излучения лазера и дальнейшего нахождения энергии импульса. Измеритель мощности оптического излучения должен обеспечивать измерения мощности в диапазонах от 1 мкВт до 1 Вт с погрешностью не более 5%.
На фиг. 1 изображены: 1 - лазерный диод накачки; 2 - спектрально селективный волоконный ответвитесь оптического излучения; 3 - активный волоконный световод; 4 - изолятор оптического излучения; 5, 6 - волоконно-оптический разветвитель оптического излучения; 7 - автокоррелятор; 8 - измеритель мощности оптического излучения; 9 - поляризационный контроллер оптического излучения; 10 - волоконный световод с отрицательным значением ДГС; 11 - модуль, в который устанавливаются исследуемые просветляющиеся поглотители на основе пленок.
Измерение длительности импульсов начинается с пороговой мощности излучения накачки, т.е. с того момента, когда в волоконном фемтосекундном лазере будет получена устойчивая генерация ультракоротких импульсов при минимально возможной мощности накачки. Шаг измерения должен быть, достаточным для осуществления аппроксимации с минимальной погрешностью. Полученные данные зависимости длительности импульса от энергии импульса аппроксимируются экспоненциальной функцией:
τрр)=τ0+А⋅ехр(-Ер0)
где τр - длительность импульса (измеряется автокоррелятором); Ер - энергия импульса (высчитывается из полученных данных о длительности импульса, средней мощности лазера и частоте следования импульсов); E0 - энергия насыщения просветляющегося поглотителя; τ0 - асимптота; А - константа. Значение асимптоты τ0 эквивалентно времени релаксации просветляющегося поглотителя. Пример аппроксимации данных с использованием метода определения времени релаксации просветляющегося поглотителя на фиг. 2.

Claims (1)

  1. Способ определения времени релаксации пленочного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации солитонов, заключающийся в использовании фемтосекундного волоконного лазера, содержащего лазерный диод накачки (1) и волоконный кольцевой резонатор с суммарной отрицательной дисперсией групповых скоростей резонатора, состоящий из спектрально-селективного волоконного ответвителя оптического излучения (2), вход накачки которого соединен с выходом лазерного диода источника накачки (1), а выход ответвителя оптического излучения соединен с активным волоконным световодом (3), с отрицательным значением дисперсии групповых скоростей, другой конец активного волоконного световода соединен с изолятором (4), волоконный выход которого соединен со входом волоконно-оптического разветвителя излучения (5), к одному из выходов которого подключается автокоррелятор (7) и измеритель мощности оптического излучения (8) через дополнительный разветвитель (6), а к другому - волокно с отрицательной дисперсией групповых скоростей (10), на которое устанавливается контроллер поляризации (9), и которое соединено с модулем, содержащим исследуемую пленку просветляющегося поглотителя (11), выходное волокно которого соединено со входом в спектрально-селективный волоконный ответвитель оптического излучения (2), работающего в режиме генерации солитонов и имеющего общую дисперсию групповых скоростей резонатора при которой минимально возможная длительность импульса будет меньше типичного времени релаксации исследуемого просветляющегося поглотителя, для определения асимптоты при аппроксимации данных о зависимости длительности импульсов от их энергии при изменении выходной мощности лазерного диода накачки (1).
RU2017140435A 2017-11-20 2017-11-20 Способ определения времени релаксации плёночного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации RU2687991C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140435A RU2687991C1 (ru) 2017-11-20 2017-11-20 Способ определения времени релаксации плёночного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140435A RU2687991C1 (ru) 2017-11-20 2017-11-20 Способ определения времени релаксации плёночного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2687991C1 true RU2687991C1 (ru) 2019-05-17

Family

ID=66579004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017140435A RU2687991C1 (ru) 2017-11-20 2017-11-20 Способ определения времени релаксации плёночного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2687991C1 (ru)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU455419A1 (ru) * 1970-04-29 1974-12-30 Энергетический Институт Им.Кржижановского Государственного Производственного Комитета По Энергетики И Электрификации Ссср Способ измерени времени релаксации уровней энергии вещества
US8982451B2 (en) * 2011-08-02 2015-03-17 Japan Science And Technology Agency Pump probe measuring device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU455419A1 (ru) * 1970-04-29 1974-12-30 Энергетический Институт Им.Кржижановского Государственного Производственного Комитета По Энергетики И Электрификации Ссср Способ измерени времени релаксации уровней энергии вещества
US8982451B2 (en) * 2011-08-02 2015-03-17 Japan Science And Technology Agency Pump probe measuring device

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Alexander A. Krylov и др. "Performance peculiarities of carbon-nanotube-based thin-film saturable absorbers for erbium fiber laser mode-locking," JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B, т. 33, No 2, 2016 г., стр. 134-142. *
Alexander A. Krylov и др. "Performance peculiarities of carbon-nanotube-based thin-film saturable absorbers for erbium fiber laser mode-locking," JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B, т. 33, No 2, 2016 г., стр. 134-142. R. Fleischhaker и др. "Consistent characterization of semiconductor saturable absorber mirrors with single-pulse and pump-probe spectroscopy", OPTICS EXPRESS т. 21, No. 6, 2013 г., стр. 6764-6776. *
R. Fleischhaker и др. "Consistent characterization of semiconductor saturable absorber mirrors with single-pulse and pump-probe spectroscopy", OPTICS EXPRESS т. 21, No. 6, 2013 г., стр. 6764-6776. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cohen et al. A universal fiber-optic (UFO) measurement system based on a near-IR fiber Raman laser
CN107064100B (zh) 基于色散时变的光纤拉曼光谱仪
CN103983428A (zh) 测量全光纤脉冲激光器ase噪声的方法
Han et al. High-energy, tunable-wavelengths, Q-switched pulse laser
RU2687991C1 (ru) Способ определения времени релаксации плёночного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации
Zhao et al. High-resolution absolute distance measurement using a dual-wavelength, dual-comb, femtosecond fiber laser
US5619321A (en) Method of and device for measuring the Kerr non-linearity coefficient in a single mode optical fiber
Harun et al. Fiber optic temperature sensors
Romano et al. Characterization of the 3F4–3H6 Transition in Thulium-doped Silica Fibres and Simulation of a 2μm Single Clad Amplifier
Blau et al. S1-S0 relaxation time of saturable absorber DDI
CN114942228B (zh) 材料瞬态特性的精准测量装置及方法
Delaye et al. Continuous-wave generation of photon pairs in silica nanofibers using single-longitudinal-and multilongitudinal-mode pumps
RU2764384C1 (ru) Способ управления количеством связанных солитонов в фемтосекундном волоконном лазере
CN112945522A (zh) 一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的测试方法
Dalzell et al. Two-photon excited fluorescence in rare-earth doped optical fiber for applications in distributed sensing of temperature
CN101876571B (zh) 用于提高纳秒脉冲单次测量动态范围的脉冲复制环装置
CN107941253A (zh) 一种光纤环传感系统及实现方法
Deng et al. A photon-counting optical time-domain reflectometry based optical fiber temperature sensor system
Hou et al. Solving large-scale NP-Complete problem with an optical solver driven by a dual-comb ‘clock’
Kotova et al. On the nature of optically controlled delay of a stokes pulse amplified by stimulated Brillouin scattering in optical fiber
CN220932783U (zh) 一种基于双梳锁模光纤激光器的泵浦-探测门控控制装置
Ignesti et al. Optical control of superluminal propagation of nanosecond laser pulses
Barbé et al. First Observation of the 1S-2S Transition of He+ in an Atomic Beam
Mishra et al. Stimulate Brillouin scattering based slow light at 2μm
Anjum et al. All-Fiber Modelocked Laser Using Chalcogenide Based Nonlinear Multimode Interference Saturable Absorber

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191121