3Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН № 6 (56) 2013
- МАТЕМАТИКА. ИНФОРМАТИКА. НАНОТЕХНОЛОГИИ =
УДК 681.7.068.4
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ВОЛОКНАХ ИЗ СВИНЦОВО-СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ
К.А. БЖЕУМИХОВ1, З.Ч. МАРГУШЕВ1, Ю.В. САВОЙСКИЙ1, Е.Н. МАКАРОВ2
1 ФГБУН Институт информатики и проблем регионального управления Кабардино-Балкарского научного центра РАН 360000, КБР, г. Нальчик, ул. И. Арманд, 37-а E-mail: iipru@rambler.ru
2ООО «ВТЦ «Баспик» 362021, РСО-А, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, корп. 6 E-mail: zmargush@ya.ru
Проведены экспериментальные исследования нелинейно-оптических процессов при распространении фемтосекундных лазерных импульсов в микроструктурированных волокнах из комбинации свинцово-силикатных стекол. Проведен анализ факторов, влияющих на эффективность спектрального преобразования. На основе полученных данных сделан вывод, что для выбранных материалов и структур длина волны накачки (807 нм) существенно отстоит от положения нулевого значения дисперсии групповой скорости.
Ключевые слова: микроструктурированные волокна, суперконтинуум, свинцово-силикатные стекла, фемтосекундное лазерное излучение, дисперсия групповой скорости.
При фокусировке пучка мощного лазерного излучения в слой прозрачной жидкости или твёрдых тел, такие как стёкла, плавленый кварц и кристаллический кварц, возникает излучение с очень широким, непрерывным спектром, которое получило название «суперконтинуум» (СК) [1, 2]. Данный эффект связан с одновременным проявлением ряда нелинейно-оптических процессов [3]. Интенсивное развитие лазерной техники ультракоротких импульсов, а также волоконных технологий за последние годы привело к появлению нового направления в области взаимодействия излучения с веществом, связанного с исследованиями нелинейно-оптических процессов в микроструктурированных волокнах (МСВ) [4]. Интерес к МСВ обусловлен прежде всего тем, что в зависимости от структуры поперечного сечения волокна имеют различные свойства, такие как одномодовый режим распространения в широком спектральном диапазоне, большая или малая площадь модо-вого поля для увеличения или подавления нелинейных эффектов, управляемые поляризация и дисперсия групповой скорости (ДГС), спектр пропускания и двулучепреломление. Возможность получения высокой степени локализации излучения в сердцевине МСВ позволяет наблюдать генерацию гармоник и СК даже при использовании низкоэнергетического (суб- и микроджоульного уровня) пико- и фемтосекундного лазерного излучения [5]. Благодаря интенсивным исследованиям в дальнейшем получены результаты, отражающие влияние как характеристик лазера накачки (длительность импульса, плотность мощности, энергия и т. д.), так и геометрических параметров (диаметр сердцевины волокна и параметры структуры МС-оболочки) на эффективность нелинейно-оптических преобразований. На основе этих исследований [6-10] установлено, что:
- наиболее широкий спектр СК получается при введении затравочного импульса с длиной волны, близкой к длине волны нулевой дисперсии групповой скорости в среде;
- генерирование спектра СК более эффективно на волокнах из материалов с сильной нелинейностью;
- управление эффективностью нелинейно-оптических процессов в МС-волокнах, приводящих к спектральному уширению, может достигаться за счёт изменения степени локализации поля в сердцевине волокна;
- чем больше разность между показателем преломления сердцевины волокна и эффективным показателем преломления МС-оболочки, тем больше степень локализации поля в сердцевине.
МСВ, таким образом, открывают широкие потенциальные возможности для управления процессом генерации СК с требуемыми спектральными и временными параметрами.
В рамках данной работы ставилось целью исследование эффективности нелинейно-оптического преобразования фемтосекундных лазерных импульсов длины волны 807 нм в МС-волокнах из свинцово-силикатных стекол. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определить степень влияния соотношения диаметра фокального пятна фокусирующей линзы на входе и диаметра сердцевины волокна на эффективность нелинейно-оптического преобразования.
2. Оценить эффективность преобразований в зависимости от соотношения показателя преломления сердцевины и эффективного показателя преломления МС-оболочки.
Актуальность работы связана с тем, что подобные исследования однородных МСВ (сплошная сердцевина и оболочка из одного и того же материала) из свинцово-силикатных стекол [11-12], характеризующихся высокой оптической нелинейностью, показали высокую эффективность спектрального преобразования. На наш взгляд, продолжение исследований МСВ из данных материалов представляет значительный интерес для понимания путей повышения ширины спектра СК.
Эксперимент и результаты
На первом этапе ставилась задача изготовления МС-волокна со сплошной сердцевиной методом предварительной упаковки и перетяжки размягченного стекла. В качестве сердцевины выбран стержень (штабик) из стекла марки С87-2, которое относится к классу свинцово-силикатных и широко используется для изготовления микроканальных пластин. Содержание оксидов кремния и свинца в С87-2 следующее: SiO2 - 40,2%, PbO - 41,0%. Линейный коэффициент преломления n=1,6422, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) - 92-10"7К_1, температура размягчения (Tp) - 6200С. Заготовки трубок из свинцово-силикатного стекла марки Clear Lead Glass «CLG» (Technosklo, Ltd) использовались для изготовления МС оболочки волокна. Содержание основных элементов в CLG следующее: SiO2 - 61,5%, PbO - 20.6%. Линейный коэффициент преломления (рассчитан по методу Аппена) - 1,5532, ТКЛР - 93 -10"7 К"1, Tp - 6250С. Для данных двух типов стекол значения соответствующих параметров ТКРЛ и Tp практически одинаковы, что позволило реализовать процесс совместной перетяжки предварительно упакованной гексагональной упаковки в волокно. Выбор двух типов стекла для изготовления МСВ обусловлен также тем, что показатель преломления материала сердцевины больше соответствующего показателя материала МС-оболочки на величину 0,089. На наш взгляд, это обстоятельство увеличит локализацию поля излучения накачки в сердцевине. На первом этапе конструкция волокна представляла одну сплошную сердцевину, окружённую капиллярами в количестве 216 шт. Использованный нами метод изготовления МСВ предусматривает поэтапную перетяжку предварительной упаковки штабиков и капилляров до достижения требуемых размеров в поперечном сечении - диаметра сердцевины, диаметров воздушных каналов МС-оболочки, шага структуры (расстояния между центрами воз-
душных каналов). Эти три параметра называют структурными геометрическими характеристиками МС-волокна [13]. На определенной стадии структура укладывалась в трубку из CLG, которая играла роль защитной оболочки. После этого перетяжка проводилась при откачке воздуха из защитной трубки.
На эксперименте МСВ с одного торца накачивалось титан-сапфировым лазером FUSION (807 нм, 21 фс, 75 Мгц), с другого торца спектр измерялся спектроанализатором HR4000 (Ocean Optics) [6]. Диаметр пучка лазера 2 мм, средняя мощность в непрерывном режиме с учётом потерь на изоляторе Фарадея и зеркалах составляла 700 мВт. Спектры на выходном торце МСВ снимались при фокусировке излучения накачки на сплошную сердцевину. Для оценки эффективности преобразования спектра, в зависимости от параметров фокусировки пучка на входной торец образца, использованы фокусирующие линзы с различными характеристиками из набора К4901-В (Thorlabs) (таб. 1).
Таблица 1.
Параметры использованных линз
С330ТМЕ С230ТМЕ С110ТМЕ С240ТМЕ С220ТМЕ С260ТМЕ
Фокусное расстояние, мм 3,10 4,50 6,24 8,00 11,00 15,29
Увеличение, х 52 35 26 20 15 10
Диаметр фокусного пят- 1,24 1,8 2,5 3,2 4,4 6,1
на, мкм
Средн. плотность мощно- 57,8 27,5 14,24 8,7 4,6 2,4
сти, МВт/см2
Анализ экспериментальных спектров на выходе образца МС216_1 (рис. 1) показал, что наиболее широкий спектр регистрируется при использовании фокусирующей линзы С260ТМЕ с диаметром фокального пятна, близким к размеру сплошной сердцевины.
При этом плотность мощности в фокусе составляет 2,4 МВт/см , что меньше соответствующих значений для С240ТМЕ (8,7 МВт/см2) и С230ТМЕ (27,5 МВт/см2). При использовании линзы С230ТМЕ наблюдаются резкие пики на длинах волн 600 нм и 640 нм.
500 600 700 800 900
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры излучения на выходном торце волокна МС216-1 длиной 60 см, полученные фокусировкой титан-сапфирового лазера 807 нм на центральную часть
входного торца с помощью линз С260ТМЕ, С240ТМЕ и С230ТМЕ (табл. 1). Во вставке - изображение поперечного сечения волокна, диаметр сердцевины - 7 мкм
Отсюда можно сделать заключение, что эффективность спектрального преобразования на выходе МСВ существенно зависит от параметров фокусирующей оптики - диаметра фокального пятна. Зависимость носит сложный характер, влияющий как на ширину спектра, так и на её форму. Максимальное уширение спектра удалось получить с линзой, размер фокусного пятна которого наиболее близок к диаметру сплошной сердцевины (кривая С260ТМЕ, рис. 1) и составлял 450 нм, что в 9 раз больше ширины исходного спектра на входе (FWHM - 48 нм).
Характерной особенностью использованных материалов является то, что нелинейно-оптические преобразования, сопровождаемые как уширением спектра в целом, так переносом значительной части энергии в антистоксовую область, которые отражаются на спектрах в виде отдельных пиков, наблюдаются и во многих узлах МС-оболочки типа «решётки кагоме», окружающих сердцевину (вкладка рис. 2).
16000
а>
о
О)
2000 -
600
800
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектр излучения на выходе волокна МС216-1 в случае, когда пятно фокусирующей линзы С240ТМЕ попадает на один из узлов МС-оболочки
типа «кагоме» размером 3 мкм (вкладка)
Как отмечалось выше, нелинейность свинцово-силикатного стекла на порядок (п2=410- см 2/Вт) выше, чем у плавленого кварца (п2 = 2-10 см /Вт). Путем подбора материалов нами был специально задан относительно высокий контраст между показателями преломления материала сердцевины (1,6422) и оболочки (1,5532). Однако, кроме высокой степени локализации излучения накачки в сердцевине, в данном эксперименте не удалось достичь значительного уширения спектра по сравнению с ранней нашей работой [6]. Отсюда полученный результат, скорее всего, можно объяснить тем, что область нуля ДГС данной структуры волокна существенно отстоит от длины волны нашего источника накачки (807 нм). Основное преимущество МСВ по сравнению со стандартными оптическими волокнами состоит в возможности управления дисперсионными характеристиками волокна путем варьирования её структурными параметрами. Опираясь на такое свойство, на следующем этапе работы мы поставили задачу сдвинуть положение нуля ДГС в область длины волны 807 нм, что в конечном итоге приведет к увеличению эффективности нелинейно-оптического преобразования. Для реализации поставленной задачи
было изготовлено волокно МС1512 7, микрофотография поперечного сечения которого представлена на рис. 3.
-г-1-г-1-г-1-г-1—
500 600 700 800 900
Длина волны, нм
Рис. 3. Спектр излучения на выходе волокна МС15127, измеренный путем фокусировки
излучения накачки на одну из семи сплошных сердцевин с помощью линзы с размером фокусного пятна 3,2 мкм. Во вставке - изображение поперечного сечения волокна, количество сплошных сердцевин - 7 шт., диаметр сердцевины - 3 мкм
Для его изготовления на определенном этапе перетяжки гексагональные структуры, подобные предыдущему образцу, были в свою очередь упакованы в конструкцию из 7 штук и подвергнуты дальнейшей перетяжке в защитной трубке с откачкой воздуха. Такой технологический прием позволил значительно уменьшить геометрические параметры волокна в поперечном сечении, прежде всего диаметр сплошной сердцевины с 7 мкм до 3 мкм.
Наибольшую эффективность спектрального преобразования на данном волокне удалось получить при использовании линзы С240ТМЕ (рис. 3).
Уменьшение диаметра сердцевины МСВ в два раза по сравнению с предыдущим экспериментом также не дало ожидаемого эффекта. Очевидно, это связано с тем, что пропорционально уменьшаются и параметры МС-оболочки, окружающей сердцевину. Таким образом, получено дополнительное подтверждение выводов, сделанных по результатам предыдущего эксперимента со структурой МС216_1, а именно: необходимость изменения геометрии самой структуры путем увеличения содержания воздуха вокруг сплошной сердцевины.
На следующем этапе нами было изготовлено МС-волокно с одной сплошной сердцевиной, окруженной 270 капиллярами из одного и того же материала С87-2 (рис. 4).
Как видно, несмотря на очевидную локализацию излучения в сердцевине волокна, эффективность нелинейно-оптического преобразования, оцениваемая степенью переноса энергии излучения с центральной длины волны накачки в стоксовую и антистоксовую области, меньше, чем в вышерассмотренных образцах МСВ. Очевидно, как и в предыдущем случае, для данного образца при значениях диаметра сердцевины и параметрах
структуры оболочки центральная длина волны излучения накачки (807 нм) далеко отстоит от длины волны, при которой дисперсия исчезает.
—i-■-1-1-1-■-1-1-1
600 700 800 900 1000
Длина волны, нм
Рис. 4. Спектр волокнаМС270 1 (во вставке изображение поперечного сечения), фокусировка линзой С220ТМЕ на сплошную сердцевину с диаметром 4 мкм
Величина смещения нуля ДГС в область коротких длин волн в МСВ напрямую зависит от коэффициента заполнения воздухом к=ё/Л [14]. Чем больше к, тем больший сдвиг дисперсионной кривой в коротковолновую область может быть получен. Численный анализ и эксперименты показали, что для МСВ с гексагональной структурой одинаковых отверстий смещение нуля ДГС в коротковолновую область спектра сопровождается уменьшением эффективной площади моды, что позволяет реализовать больший коэффициент нелинейности [15]. В выбранном образце волокна МС270_1 с ё=4 мкм и Л=6,7 мкм коэффициент заполнения к=0,6. Отсюда можно сделать вывод, что для материала С87-2 и длины волны лазера накачки 807 нм достижение более эффективного нелинейно-оптического преобразования возможно со структурой поперечного сечения с меньшим количеством слоев в МС-оболочке - с одним или двумя гексагональными слоями, но большим коэффициентом заполнения, как в [16-19] .
Выводы
На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Показано, что одним из путей повышения эффективности нелинейно-оптических преобразований является подбор материала МС-оболочки с показателем преломления меньшим, чем у сердцевины.
2. Спектр нелинейно-оптического преобразования фемтосекундных лазерных импульсов в МСВ, т.е. эффективность генерации СК, зависит от параметров фокусирующей оптики - диаметра фокального пятна. Зависимость носит сложный характер, влияющий как на ширину спектра, так и на её форму. Максимальное уширение спектра удаётся получить
при использовании фокусирующей линзы с диаметром фокального пятна, соизмеримым с диаметром сплошной сердцевины.
3. Нелинейно-оптические преобразования в выбранных свинцово-силикатных материалах, сопровождаемые как уширением спектра в целом, так и переносом значительной части энергии в антистоксовую область в виде отдельных пиков, наблюдаются и во многих узлах микроструктурированной оболочки типа «решётки кагоме».
4. Повышение эффективности нелинейно-оптического преобразования Ti: сапфировых лазерных импульсов в МСВ из рассмотренных материалов (С87-2 и CLG) путем сдвига положения нуля ДГС в более коротковолновую область (вблизи длины волны накачки) возможно со структурой поперечного сечения с большим коэффициентом заполнения воздухом, чем в рассмотренных нами конструкциях волокна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Alfano R.R., Shapiro S.L. // Phys. Rev. Lett. 24 584 (1970).
2. Alfano R.R. (Ed.) The Supercontinuum Laser Source (New York: Springer - Verlag, 1989).
3. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Наука, 2004. 666 с.
4. Жёлтиков А.М. Оптика микроструктурированных волокон. М.: Наука, 2004. 281 с.
5. Ranka J.K., Windeller R.S., Stentz A.J.M. Visible continuum generation in air- silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm // Opptics Letts, 25, 25-27 (2000).
6. Бжеумихов К.А., Маргушев З.Ч. // Компьютерная оптика, 2010. Т. 34. № 4. С. 495500. (http://elibrary.ru/item.asp?id=15500806) (http://www.computeroptics.smr.ru/K0/Annot/K034-4/09.html)
7. Желтиков А.М. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума сверхкороткими импульсами // УФН, 2006. Т. 176. №6. С. 623-649 (http://ufn.ru/ru/articles/2006/6/d/)
8. Скибина Ю.С., Тучин В.В., Белоглазов В.И., Штейнмайер Г., Бетге Й.Л., Веделль Р., Лангхофф Н. Квантовая электроника, 2011. 41. № 4. С. 284-301.
(http://www.quantum-
electron.ru/php/paper_rus.phtml?journal_id=qe&paper_id=14536&year_id=2011&volume=4
1&issue_id=4&fpage=284&lpage=301)
9. Genty G. Supercontinuum generation in microstructured fibers and novel optical measurement techniques. Ph.D. Dissertation, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland (http://lib.tkk.fi/Diss/2004/isbn9512270005/isbn9512270005.pdf)
10. http://bookfi. org/book/1217723
11. Friberg S.R. аМ Smith P. W. Nonlinear optical glasses for ultrafast optical swithes // IEEE J. Quantum Electron,1987. P. 2089-2094
12. Petropoulos P., Ebendorff-Heidepriem H., Finazzi V., Moore R.C., Frampton K., Richardson D.J., and Monro T.M. Higly nonlinear and anomalously dispersive lead silicate glass holey fibers // Opt.Express, 2002. V. 11. P. 3568-3573. (http://www.orc.org.uk/viewpublication.html?pid=2790)
13. Филипенко А.И., Пономарева А.В. Современное состояние проблемы контроля конструктивно-геометрических параметров микроструктурированных оптических волокон // Радиотехника, 2008. Вып. 154. С. 102-107.
(http://archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/rate/2008_154/102-107.pdf)
14. Ferrando A., Silvestre E., Andres P., Mirret J.J., Andres M.V. // Optics Express, 13, 687 (2001)] (http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-9-13-687).
15. Monro T.M., Richardson D.J., Broderick N.G., Bennett P.J. // Journal of Lighywave Technology, 17, 1093-1102 (1999).
16. Жёлтиков А.М. // УФН, 2004. Т. 174. С. 73. (http://ufn.ru/ru/articles/2004/1/e/)
17. Fedotov A. B. et al. // Opt. Commun. 255 218 (2005) (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030401805006541)
18. Lang Dong, Brian K. Thomas, and Libin Fu. // Optics Express, V.16., №21., p. 164231430, 2008. (http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-16-21-16423)
EFFICIENCY OF SPECTRAL TRANSFORMATION OF THE FEMTOSECOND LASER PULSES IN THE MICROSTRUCTURED FIBRES FROM LEADEN-SILICATE GLASSES
K.A. BZHEUMIKHOV1, Z.CH. MARGUSHEV1, Y.V. SAVOISKIY1, E.N. MAKAROV2
institute of Computer Science and Problems of Regional Management of KBSC of the Russian Academy of Sciences 360000, KBR, Nalchik, 37-a, I. Armand street E-mail: iipru@rambler.ru
2LLC VTC "BASPIK" 362021, Republic North Ossetia-Alania,Vladikavkaz, 44 Nikolayev str., building 6
E-mail: zmargush@ya.ru
The experimental researches of nonlinear-optical processes are carried out at distribution of femtosecond laser pulses in the microstructured fibres from a combination of leaden-silicate glasses. The analysis of the factors influencing efficiency of spectral transformation is carried out. On the basis of data received the conclusion is made that for the chosen materials and structures, length of a pumping wave (807 nm) essentially will defend on a rule of zero meaning dispersion of group speed.
Key words: microstructured fibres, supercontinuum, leaden-silicate glasses, femtosecond laser radiation, group velocity dispersion.
Работа поступила 22. 10. 2013 г.
