RU2764384C1

RU2764384C1 - Method for controlling the amount of coupled solitons in a femtosecond fibre laser

Info

Publication number: RU2764384C1
Application number: RU2020139886A
Authority: RU
Inventors: Илья Олегович Орехов; Дмитрий Алексеевич Дворецкий; Станислав Григорьевич Сазонкин
Original assignee: Илья Олегович Орехов
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2022-01-17

Abstract

FIELD: controlling.

SUBSTANCE: method relates to methods for control used in research of fibre lasers generating at a wavelength of 1.55 mcm. The technical result is achieved by changing the pumping power of the emission source, wherein a fibre femtosecond laser operating in the coupled soliton generation mode is used as an emission source, using a highly nonlinear germanosilicate fibre as part of a resonator, with measuring equipment connected thereto, such as an autocorrelator and an optical spectrum analyser. The method for controlling the amount of coupled solitons in a femtosecond fibre laser consists in changing the power of emission of the pumping source. An annular fibre femtosecond laser operating in the mode of generation of coupled soliton groups is used as a femtosecond laser. The change in the amount of coupled pulses is started with obtaining stable generation of coupled soliton groups, after which a change in the pumping power should be started. The pitch in the change in the pumping power should be sufficient to change the level of quantisation of the soliton energy.

EFFECT: possibility of implementing passive mode synchronisation with a adjustable amount of coupled pulses with a constant phase ratio between the pulses in a fibre laser.

1 cl, 4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Способ относится к методам реализации новых режимов работы лазеров. Лазеры подобного типа обладают высокой энергией лазерного импульса, что в совокупности с длиной волны излучения является необходимым во многих приложениях лазерной техники, например, таких как прецизионная спектроскопия, передача данных и в обработке материалов.The method relates to methods for implementing new operating modes of lasers. Lasers of this type have a high laser pulse energy, which, together with the radiation wavelength, is necessary in many applications of laser technology, such as, for example, precision spectroscopy, data transmission and material processing.

Уровень техникиState of the art

Режим генерации связанных солитонов может быть использован в различных областях фотоники, таких как телекоммуникации и связь, в области метрологии частоты и времени, в обработке материалов и т.д. Например, исследование связанных импульсов привлекательно для увеличения пропускной способности линии связи в телекоммуникациях за счет увеличения алфавита кодирования сигнала. Идея кодирования с помощью связанных солитонов предполагает уход от двоичной системы к произвольному числу символов 2N, где N - число солитонов в связанном состоянии. Однако необходима разработка способов управления параметрами связанных импульсов (кодирования сигнала) и разработка способов приема сигнала (декодирование сигнала). Кроме того, генерация когерентно связанных групп солитонов может значительно увеличить эффективность усиления ультракоротких импульсов, что открывает новые горизонты в холодной микрообработке новых материалов.The coupled soliton generation mode can be used in various areas of photonics, such as telecommunications and communication, in the field of frequency and time metrology, in material processing, etc. For example, the study of coupled pulses is attractive for increasing the throughput of a communication line in telecommunications by increasing the signal coding alphabet. The idea of coding using bound solitons involves moving away from the binary system to an arbitrary number of symbols 2N, where N is the number of solitons in a bound state. However, it is necessary to develop methods for controlling the parameters of coupled pulses (signal encoding) and developing methods for receiving a signal (signal decoding). In addition, the generation of coherently coupled groups of solitons can significantly increase the efficiency of amplification of ultrashort pulses, which opens up new horizons in the cold micromachining of new materials.

Для реализации разработанного способа управления количеством связанных солитонов необходимо использовать волоконный фемтосекундный лазер, работающий в режиме генерации групп связанных солитонов.To implement the developed method for controlling the number of bound solitons, it is necessary to use a femtosecond fiber laser operating in the mode of generating groups of bound solitons.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в реализации в волоконного лазера с контролируемым количеством связанных солитонов (в диапазоне от 7 до 17 импульсов) с постоянным фазовым соотношением между импульсами.The technical result to which the present invention is directed is the implementation of a fiber laser with a controlled number of coupled solitons (in the range from 7 to 17 pulses) with a constant phase relationship between the pulses.

Технический результат достигается за счет изменения мощности накачки волоконного фемтосекундного лазера, работающего режиме генерации связанных солитонов, с использованием высоконелинейного германосиликатного волокна в составе резонатора, с подключенными к нему измерительными приборами, такими как: автокоррелятор и анализатор оптического спектра.The technical result is achieved by changing the pump power of a femtosecond fiber laser operating in the coupled soliton generation mode, using a highly nonlinear germanosilicate fiber as part of a resonator with measuring instruments connected to it, such as an autocorrelator and an optical spectrum analyzer.

Управление количеством связанных солитонов в фемтосекундном волоконном лазере, осуществляется в соответствии с формулой (1.1), посредством изменения мощности накачки (см. фиг. 1). В качестве фемтосекундного лазера необходимо использовать волоконный кольцевой фемтосекундный лазер, работающий в режиме генерации связанных солитонов. В состав волоконного кольцевого лазера должны входить активное и пассивное высоконелинейное волокна с положительной дисперсией групповых скоростей (ДГС) и пассивное волокно с отрицательной ДГС. Выбор режима генерации групп связанных солитонов связан с тем, что данный режим изначально обладает определенным количеством импульсов генерируемых с постоянным фазовым соотношением и хорошей устойчивостью генерации. Для управления количеством связанных солитонов в фемтосекундном волоконном лазере необходимо получить устойчивый режим генерации связанных импульсов. После того как устойчивая генерация была получена, в зависимости от необходимости увеличить или уменьшить число генерируемых импульсов, постепенно увеличивается или уменьшается мощность лазера накачки, с определенным шагом при этом непрерывно наблюдаем за автокорреляцией импульсов волоконного лазера и выходным оптическим спектром фемтосекундного лазера при каждом изменении мощности лазера накачки. Изменение мощности лазера накачки производится до того момента, когда уже нет возможности получить устойчивую генерацию. На базе полученной автокорреляции импульсов и выходном оптическом спектре генерации определяется количество импульсов и фазовое соотношение между ними.The number of bound solitons in a femtosecond fiber laser is controlled in accordance with formula (1.1) by changing the pump power (see Fig. 1). As a femtosecond laser, it is necessary to use a femtosecond fiber ring laser operating in the mode of generation of coupled solitons. A fiber ring laser should include active and passive highly nonlinear fibers with a positive group velocity dispersion (GVD) and a passive fiber with a negative GVD. The choice of the mode of generation of groups of coupled solitons is due to the fact that this mode initially has a certain number of pulses generated with a constant phase ratio and good generation stability. To control the number of coupled solitons in a femtosecond fiber laser, it is necessary to obtain a stable mode of coupled pulse generation. After stable generation has been obtained, depending on the need to increase or decrease the number of generated pulses, the pump laser power is gradually increased or decreased, with a certain step, while continuously monitoring the autocorrelation of fiber laser pulses and the output optical spectrum of the femtosecond laser with each change in laser power pumping. The pump laser power is changed until the moment when it is no longer possible to obtain stable generation. Based on the obtained pulse autocorrelation and the output optical generation spectrum, the number of pulses and the phase relation between them are determined.

Согласно исследованиям, полученным работе D. Y. Tang, L. М. Zhao, В. Zhao, and A. Q. Liu, "Mechanism of multisoliton formation and soliton energy quantizationin in passively mode-locked fiber lasers," Phys. Rev. A 72(4), 043816 (2005), наибольшая энергия солитона в связанном состоянии с длительностью τр ограничена фундаментальной энергией солитона Es ~ | β2 | / (γ • τр), где γ - это суммарный нелинейный коэффициент, β2 -суммарная дисперсия второго порядка в резонаторе. Квантование энергии солитона ведет к разделению общей энергии импульса в резонаторе при мощности превышающий фундаментальный порог и формированию связанного состояния УКИ из фундаментальных солитонов. Таким образом, наиболее простой способ контролировать количество связанных УКИ - это изменение мощности накачки волоконного резонатора. Важной особенностью волоконного фемтосекундного лазера, участвующего в генерации групп связанных солитонов, является значение общей ДГС резонатора. Экспериментально было установлено, что стабильные связанные импульсы генерируются при слегка отрицательной, близкой к нулю, внутрирезонаторной ДГС.According to studies derived from D. Y. Tang, L. M. Zhao, B. Zhao, and A. Q. Liu, "Mechanism of multisoliton formation and soliton energy quantization in passively mode-locked fiber lasers," Phys. Rev. A 72(4), 043816 (2005), the highest energy of a soliton in a bound state with duration τp is limited by the fundamental energy of the soliton Es ~ | β2 | / (γ • τр), where γ is the total nonlinear coefficient, β2 is the total dispersion of the second order in the resonator. Quantization of the soliton energy leads to the separation of the total pulse energy in the resonator at a power exceeding the fundamental threshold and the formation of a USP bound state from fundamental solitons. Thus, the simplest way to control the number of coupled USPs is to change the pump power of the fiber cavity. An important feature of a femtosecond fiber laser involved in the generation of groups of coupled solitons is the value of the total GVD of the resonator. It was found experimentally that stable coupled pulses are generated at a slightly negative, close to zero, intracavity GVD.

Наиболее близким аналогом предлагаемого метода можно признать способ управления количеством импульсов в волоконном лазере с синхронизацией мод излучения, описанный в работе: D.A. Korobko, R. Gumenyuk, I.O. Zolotovskii, O.G. Okhotnikov, "Multisoliton complexes in fiber lasers." Optical Fiber Technology 20 (2014): 593-609. В схеме прототипа волоконный лазер с синхронизацией мод излучения состоит из источника накачки, волоконного линейного резонатора, включающего волоконный модуль спектрального сведения оптического излучения, вход накачки которого соединен с выходом источника накачки, один сигнальный выход выводит излучение на зеркало с высоким коэффициентом отражения, а другой выход соединен с активным волоконным световодом. Второй конец активного волоконного световода соединен с волоконным ответвителем оптического излучения. Один конец волоконного ответвителя служит для вывода излучения из резонатора, а другой конец посылает излучение через фокусирующую линзу на систему компенсации дисперсии, состоящей из двух дифракционных решеток, акустооптического преобразователя частоты и зеркала с высоким коэффициентом отражения. Поляризационный контроллер оптического излучения обеспечивает запуск режима синхронизации мод излучения и управление параметрами режима синхронизации мод.The closest analogue of the proposed method can be recognized as a method for controlling the number of pulses in a fiber laser with radiation mode locking, described in the work: D.A. Korobko, R. Gumenyuk, I.O. Zolotovskii, O.G. Okhotnikov, "Multisoliton complexes in fiber lasers." Optical Fiber Technology 20 (2014): 593-609. In the scheme of the prototype, a mode-locked fiber laser consists of a pump source, a fiber linear resonator, including a fiber module for spectral convergence of optical radiation, the pump input of which is connected to the output of the pump source, one signal output outputs radiation to a mirror with a high reflection coefficient, and the other output connected to an active optical fiber. The second end of the active optical fiber is connected to an optical fiber coupler. One end of the fiber coupler serves to output radiation from the resonator, and the other end sends radiation through a focusing lens to a dispersion compensation system consisting of two diffraction gratings, an acousto-optical frequency converter, and a mirror with a high reflection coefficient. The polarization controller of the optical radiation provides the launch of the radiation mode locking mode and the control of the parameters of the mode locking mode.

Однако в отличие от аналога, в предлагаемом способе осуществляется управление множеством когерентно-связанных импульсов, которое формируется за счет использования высоконелинейного германосиликатного волокна в составе резонатора. Кроме того, предлагаемый способ управления количеством импульсов является наиболее простым, с точки зрения реализации, так как изменение дисперсии, используемое в прототипе, в полностью волоконном лазере является трудоемким процессом, сопряженным с риском поломки устройства или потери режима генерации.However, unlike analog, in the proposed method, a plurality of coherently coupled pulses is controlled, which is formed by using a highly non-linear germanosilicate fiber as part of the resonator. In addition, the proposed method for controlling the number of pulses is the simplest in terms of implementation, since the change in dispersion used in the prototype in an all-fiber laser is a time-consuming process, associated with the risk of device failure or loss of generation mode.

Перечень фигурList of figures

На фиг. 1 изображена полученная экспериментально зависимость количества связанных импульсов от мощности накачки.In FIG. Figure 1 shows the experimental dependence of the number of coupled pulses on the pump power.

На фиг. 2 изображена структурно-функциональная схема кольцевого волоконного лазера, используемого для управления количеством связанных солитонов.In FIG. Figure 2 shows a block diagram of a ring fiber laser used to control the number of bound solitons.

На фиг. 3 изображен пример зависимости выходного оптического спектра от мощности накачки.In FIG. Figure 3 shows an example of the dependence of the output optical spectrum on the pump power.

На фиг. 4 изображен пример зависимости автокорреляции связанных импульсов и выходного оптического спектра от мощности накачки.In FIG. Figure 4 shows an example of the dependence of the autocorrelation of coupled pulses and the output optical spectrum on the pump power.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

На фиг. 2 показана одна из возможных схем волоконного лазера для реализации способа управления количеством связанных. Полностью волоконный кольцевой фемтосекундный лазер состоит из модуля накачки активного эрбиевого волокна, которая осуществляется через спектрально селективный волоконный ответвитель лазерным диодом на длине волны 980 нм с одномодовым излучением на выходе с оптической мощностью до 430 мВт. В качестве активного волоконного световода используется волокно легированное ионами Er³⁺, длиной 3,6 м с поглощением ~6,5 дБ/м на длине волны накачки и коэффициентом дисперсии, равным - 17,4 пс/(нм•км) на длине волны 1550 нм. Высоконелинейный световод представляет собой одномодовый германосиликатный световод с содержанием оксида германия в сердцевине ~50 мол.%, коэффициент дисперсии световода, измеренный в ходе экспериментов, составил - 100 пс/(нм•км), а его длина в схеме ~1,5 м. Стоит отметить, что суммарное внутрирезонаторное значение параметра дисперсии групповой скоростей 02 в схеме лазера составило -0,0053 пс² при соответствующей подобранной длине волокна с аномальной дисперсией SMF-28(Coraing Corp.). Помимо этого в схеме присутствует поляризационный фильтр (поляризатор), который вносит потери, зависящие от интенсивности. В данном случае в качестве поляризатора используется коммерческий изолятор-поляризатор, который осуществляет также функцию изолятора для получения однонаправленной генерации. Два контроллера поляризации установлены в кольцевом резонаторе с двух сторон от изолятора-поляризатора и используются для настройки режимов генерации волоконного лазера. 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).In FIG. 2 shows one of the possible schemes of a fiber laser for implementing a method for controlling the number of coupled lasers. The all-fiber ring femtosecond laser consists of an active erbium fiber pumping module, which is carried out through a spectrally selective fiber coupler with a laser diode at a wavelength of 980 nm with single-mode radiation at the output with an optical power of up to 430 mW. As an active optical fiber, a fiber doped with Er ³⁺ ions is used, 3.6 m long with an absorption of ~6.5 dB/m at the pump wavelength and a dispersion coefficient equal to -17.4 ps/(nm•km) at the wavelength 1550 nm. The highly non-linear fiber is a single-mode germanosilicate fiber with a content of germanium oxide in the core of ~50 mol.%, the dispersion coefficient of the fiber measured in the course of experiments was - 100 ps/(nm*km), and its length in the scheme is ~1.5 m. It should be noted that the total intracavity value of the group velocity dispersion parameter 02 in the laser circuit was -0.0053 ps ² with the appropriately selected length of the fiber with anomalous dispersion SMF-28 (Coraing Corp.). In addition, the circuit contains a polarizing filter (polarizer), which introduces losses that depend on the intensity. In this case, a commercial isolator-polarizer is used as a polarizer, which also performs the function of an isolator to obtain unidirectional generation. Two polarization controllers are installed in the ring resonator on both sides of the insulator-polarizer and are used to adjust the generation modes of the fiber laser. Next, there is an optical splitter, with the help of which a part of the radiation is extracted from the resonator and enters the measuring equipment (the radiation enters the autocorrelator and the optical radiation power meter through an additional splitter).

Автокоррелятор, необходимый для проведения измерений должен обладать соответствующей чувствительностью и возможностью измерять длительности импульсов в диапазонах от 100 до 5000 фс с погрешностью не более 5%. Анализатор выходного оптического спектра необходим для определения фазового соотношения импульсов. Анализатор выходного оптического спектра должен обеспечивать измерения длины волны в диапазоне от 1,3 до 1,6 мкм точность измерения длины волны ±0,1 нм.The autocorrelator required for measurements must have the appropriate sensitivity and the ability to measure pulse durations in the range from 100 to 5000 fs with an error of no more than 5%. An output optical spectrum analyzer is required to determine the phase relationship of the pulses. The output optical spectrum analyzer must provide wavelength measurements in the range from 1.3 to 1.6 µm with a wavelength measurement accuracy of ±0.1 nm.

На фиг. 2 изображены: 1 - лазерный диод накачки; 2 - спектрально селективный волоконный ответвитесь оптического излучения; 3 - активный волоконный световод; 4 - высоконелинейное германосиликатное волокно; 5, 7 - поляризационные контроллеры оптического излучения; 6 - изолятор оптического излучения; 7 - автокоррелятор; 8 - волоконный световод с отрицательным значением; 9 - волоконно-оптический разветвитель оптического излучения.In FIG. 2 shows: 1 - laser pump diode; 2 - spectrally selective fiber branch of optical radiation; 3 - active fiber light guide; 4 - highly nonlinear germanosilicate fiber; 5, 7 - polarization controllers of optical radiation; 6 - insulator of optical radiation; 7 - autocorrelator; 8 - fiber light guide with a negative value; 9 - fiber-optic splitter of optical radiation.

Изменение количества связанных импульсов может начинаться с того момента, когда в волоконном фемтосекундном лазере будет получена устойчивая генерация групп связанных солитонов, после чего необходимо начинать изменение мощности излучения накачки. Шаг изменения мощности накачки должен быть, достаточным для изменения уровня квантования энергии солитонов. Полученные данные зависимости количества импульсов от мощности накачки определяется следующей формулой:The change in the number of coupled pulses can begin from the moment when stable generation of groups of coupled solitons is obtained in a femtosecond fiber laser, after which it is necessary to start changing the pump radiation power. The step of changing the pump power should be sufficient to change the level of soliton energy quantization. The obtained data on the dependence of the number of pulses on the pump power is determined by the following formula:

где - коэффициент квантовой эффективности, - мощность накачки, γ - суммарный нелинейный коэффициент, τ_pulse и ƒ_rep - длительность импульса и частота повторения импульсов соответственно, β₂ - полная дисперсия резонатора. Пример полученной зависимости автокорреляции связанных импульсов и выходного оптического спектра от мощности излучения накачки на фиг. 3 и фиг. 4.where is the quantum efficiency coefficient, is the pump power, γ is the total nonlinear coefficient, τ _pulse and ƒ _rep are the pulse duration and pulse repetition frequency, respectively, β ₂ is the total resonator dispersion. An example of the obtained dependence of the autocorrelation of the coupled pulses and the output optical spectrum on the pump radiation power is shown in Fig. 3 and FIG. 4.

Claims

A method for controlling the number of coupled solitons in a femtosecond fiber laser, which consists in using a femtosecond fiber laser operating in the mode of generating groups of coupled solitons and containing a pump source (1) and a fiber ring resonator with a total negative group velocity dispersion, consisting of a spectrally selective optical fiber coupler. radiation (2), the pump input of which is connected to the output of the laser diode of the pump source (1), and the output of the optical radiation coupler is connected to an active fiber light guide (3), with a negative value of the group velocity dispersion, the other end of the active fiber light guide is connected to a fiber light guide with normal dispersion (4), which is used as a highly non-linear optical fiber with a stepped refractive index profile, which has normal dispersion and a high nonlinearity coefficient, connected to the optical radiation polarization controller exercise (5), which is connected to an insulator-polarizer of optical radiation (6), connected, in turn, to a second radiation polarization controller (7), which is connected to an optical fiber with anomalous dispersion and a stepped refractive index profile (8), the output which is connected to a fiber-optic radiation splitter (9), one fiber output of which is connected to the input of the spectrally selective optical radiation coupler (2), and the other sends part of the radiation to the measuring instruments.