CC BY
14DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-120-121
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛОКОННОГО ОПТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
12 * 1 1 12 Ефремов В.Д. ' , Евменова Е.А. , Антропов А.А. , Харенко Д.С. '
'Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск E-mail: [email protected]
Методы преобразования света в нелинейных оптических волокнах стали популярным способом для генерации излучения в определенных диапазонах длин волн или получения последовательности синхронных импульсов с различными несущими длинами волн. Одним из наиболее интересных и активно разрабатываемых приложений, требующих синхронизированные по времени оптические сигналы с большой разницей частот, является микроскопия когерентного антистоксового комбинационного рассеяния (coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS). Она позволяет в режиме реального времени контролировать процессы, происходящие в биологических тканях и клетках, и имеет большой потенциал для широкого использования в медицинских клиниках, а не только в научных лабораториях. Так, недавно был проведён ряд исследований, направленных на создание надёжного лазерного источника на основе параметрического преобразования сигналов в оптических волокнах [1-3]. Однако численное моделирование в указанных работах играло лишь сопутствующую роль. Наша цель состоит в том, чтобы провести численное моделирование в широком диапазоне параметров и учесть влияние чирпа и нелинейного сдвига фазы, которые являются неотъемлемой частью импульса накачки в случае систем, содержащих множество волокон различного типа. В конечном счёте это позволит более детально изучить процессы преобразования частот в оптическом волокне и найти наиболее оптимальную конфигурацию генератора для каждой конкретной задачи.
1500
™ 1400
к
£
h 1300 я
j 12О0 о 1100
V
о 1000
| 900 о
g 300 700
3 1200
-Л -3 0 2 Задержка, не 4
-
* -
- —
30 - го - 0 0 10 20 30
7.5 10.0 12.5 15.0 17.5
Эн€ф1 ИИ. нДж
10 15 20 25 Энергия, нДж
(а)
(б)
Рис. 1. Энергия генерируемых импульсов в зависимости от пиковой мощности накачки и задержки внутри резонатора: при 5 м (а) и 50 м (б) пассивного волокна
Волоконно-оптический параметрический генератор (ВОПГ) для CARS может быть построен с использованием фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) с накачкой на длине волны 1030 нм от лазера с синхронизацией мод и с активным волокном, легированным иттербием. Узкополосный параметрический импульс с длиной волны около 800 нм генерируется при достижении достаточной пиковой мощности накачки. Численно такие системы чрезвычайно просты - необходимо учитывать только дисперсию (до четвертого порядка для ФКВ) и нелинейность. Но сочетание таких параметров, как длительность импульса накачки (80 пс), большой сдвиг частоты (~ 3000 см- и спектральная ширина полосы накачки (20 пм) и параметрического импульса (200 пм и ниже), требует чрезвычайно большого окна расчёта как во временной (3,5 нс) так и в спектральной (от 433 нм до 3100 нм) областях, содержащих не менее 2 миллионов точек. Кроме того, в некоторых случаях необходимо более 2000 обходов резонатора, чтобы получить стабильное решение с относительными флуктуациями энергии и пиковой мощности менее 10 - 4. В данной работе нам удалось реализовать
120
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]
дополнительные элементы в библиотеке PyOFSS для моделирования сложной лазерной системы (см. часть с ВОПГ в [3]) и отладить её для работы на блоке графического процессора (GPU). Таким образом, скорость расчёта без потери точности увеличилась в пятьдесят раз.
В результате были определены области устойчивой генерации параметрических импульсов для различных длин стандартных пассивных и фотонно-кристаллических волокон, используемых во внешнем резонаторе. На Рис. 1 представлена область генерации с резонатором, содержащим 33 см ФКВ, а также 5 метров (а) и 50 метров (б) пассивного волокна. Было обнаружено, что участки имеют нестабильную центральную часть и значительно расширяются с увеличением длины пассивного волокна, что хорошо видно на Рис. 1. При этом энергия генерируемых импульсов достигает 17 и 30 нДж, соответственно.
Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РФФИ (20-32-70093) и гранта РНФ (21-72-30024).
Литература
1. Lamb E. et al, Opt. Lett 38, 4154 (2013)
2. Gottschall T., Limpert J., and Tünnermann A., Opt. Lett. 42, 3423 (2017)
3. Evmenova E. et al, SPIE/COS Photonics Asia, Optics in Health Care and Biomedical Optics IX, 111900I (2019)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected] 121
