CC BY
5ГЕНЕРАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ЭНЕРГИЕЙ ~10 МКДЖ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1.56 МКМ И НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИХ ЧАСТОТЫ
В ПОЛОМ РЕВОЛЬВЕРНОМ СВЕТОВОДЕ
*
Крылов А.А. , Сенаторов А.К., Гладышев А.В., Яценко Ю.П., Косолапов А.Ф., Колядин А.Н., Худяков М.М., Лихачев М.Е., Буфетов И.А.
Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М.Дианова,
г. Москва
* E-mail: krylov@fo.gpi.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-219-220
К настоящему времени удалось достичь существенного прогресса в вопросе увеличения энергии и мощности волоконных лазерных источников ультракоротких импульсов (УКИ), работающих в различных диапазонах спектра [1], что сделало перспективным их применение в промышленности и медицине. При этом суб-пикосекундные импульсы высокой пиковой мощности оказались востребованы для микро- и нанообработки прозрачных материалов. В частности, мощные источники УКИ с длиной волны излучения около 1.55 мкм идеально подходят для микрообработки кремния, что, в свою очередь, открывает новые возможности для развития интегральной кремниевой фотоники [2].
Стоит подчеркнуть, что создание эрбиевого волоконного источника УКИ фемтосекундной длительности с энергией ~10 мкДж и пиковой мощностью ~10 МВт на длине волны около 1.55 мкм является довольно сложной задачей, особенно в сравнении с иттербиевыми лазерными системами с аналогичными параметрами, излучающими вблизи 1 мкм, которые широко представлены на рынке. Одной из ключевых задач здесь является разработка подходящего мощного (финального) волоконного усилителя, который должен совмещать в себе низкую нелинейность (за счет увеличения размера моды световода) и эффективную схему накачки (предпочтительна накачка многомодовыми диодами), а также обеспечивать приемлемые эффективность преобразования накачки в сигнал (-10^20%) и качество пучка (М2<1.3). На данный момент существует два основных подхода к решению этой задачи. Один из них основан на использовании эрбиевых световодов с увеличенным полем моды (LMA-световод) и накачкой по сердцевине излучением Рамановского лазера на длине волны 1.48 мкм [3]. Другой предполагает использование эрбиевых LMA-световодов с двойной оболочкой, сердцевина которых дополнительно легирована ионами иттербия (Er-Yb световод), с накачкой многомодовыми лазерными диодами на длине волны 976 нм, которая соответствует пику поглощения ионов иттербия в матрице кварцевого стекла [4]. Однако использование Рамановского лазера усложняет схему накачки и делает ее менее эффективной, тогда как для стабильной и эффективной работы Er-Yb усилителя требуется значительная входная мощность сигнала (-100^200 мВт), что приводит к снижению порога нелинейных эффектов и, таким образом, ограничивает выходную энергию и мощность усиленных импульсов.
Помимо других применений, эрбиевые волоконные источники УКИ могут использоваться также для генерации мощных фемтосекундных импульсов в спектральной полосе с центром около 1.7 мкм за счет различных нелинейных процессов в световодах, таких как самосдвиг частоты солитона [5] и четырехволновое смешение [6]. Стоит подчеркнуть, что источники УКИ с длинами волн вблизи 1.7 мкм привлекают к себе внимание благодаря перспективным применениям, связанным с газоанализом, обработкой полимерных материалов, и, особенно, медициной.
Еще одним перспективным способом генерации УКИ в диапазоне 1.7 мкм является ВКР преобразование 1.56 мкм^ 1.71 мкм на вращательных степенях свободы молекулярного водорода, заполняющего сердцевину полого световода [7]. Однако в случае накачки ультракороткими импульсами, динамика ВКР преобразования существенно усложняется, переходя в нестационарный режим, что ведет к снижению рамановского усиления и росту порога ВКР. Это затрудняет использование волоконных источников УКИ в качестве накачки таких ВКР генераторов.
В данной работе разработан и исследован эрбиевый волоконный источник УКИ с гибридным мощным усилителем на основе соединенных последовательно эрбиевого (длина L=2.5 м) и эрбий-иттербиевого (длина L=0.7 м) LMA-световодов с двойной оболочкой и накачкой многомодовыми диодами на длине волны 976 нм. При накачке импульсами эрбиевого источника различной длительности реализовано ВКР преобразование 1.56 мкм^ 1.71 мкм в полом револьверном световоде, заполненном молекулярным водородом. Получены импульсы с максимальной энергией около 200 нДж на длине волны 1.71 мкм.
Эрбиевый волоконный источник УКИ создан на основе стандартной методики усиления чирпированных (т.е. растянутых во времени частотно-модулированных) импульсов, которая предусматривает растяжение импульсов задающего генератора, предварительное усиление, прореживание при прохождении акустооптического затвора со снижением частоты повторения с 38.1 МГц до 198.5 кГц, финальное усиление в мощном каскаде и сжатие с помощью компрессора на основе пары объемных дифракционных решеток, работающих на пропускание. Потери в компрессоре составили 1.34 дБ, при этом оптимальное расстояние между решетками 75 см. Далее импульсы вводились с эффективностью около 80% в револьверный световод длиной 2.8 м с полой сердцевиной диаметром 75 мкм, которая окружена 10-ю не соприкасающимися между собой кварцевыми капиллярами с толщиной стенок 1.15 мкм. Рассчитанные потери в нем составляют 2.5 дБ/км на длине волны накачки 1.56 мкм и не превосходят 4.3 дБ/км на длине волны стоксовой компоненты 1.71 мкм. Световод заполнялся молекулярным водородом под давлением 50 атм.
Спектры излучения на выходе мощного усилителя, а также автокорреляционные функции (АКФ) интенсивности сжатых импульсов при различной энергии представлены на рис.1(а) и (б). Энергия сжатых УКИ варьируется от 0.8 мкДж до максимального значения 15.8 мкДж при увеличении мощности диодной накачки, что соответствует изменению средней мощности в диапазоне 0.15 Вт 3.14 Вт. При этом длительность сжатых импульсов с гауссовой огибающей сокращается с 965 фс до минимального значения 742 фс.
Ep=15.8 мкДж, тр=758 фс
Я
Я -75
5
0 №
S
О
S 0,6 и
1
S 0,2
А
О
И 0,0
Длина волны (нм) Задержка (пс)
Рис. 1. Спектры на выходе мощного усилителя (а) и АКФ интенсивности сжатых импульсов (б)
— т =13 пс
p
-100 1
На рис.2 показаны спектры излучения на выходе полого световода при различной длительности импульсов накачки с введенной энергией «12 мкДж. Помимо сигнала накачки на длине волны 1.56 мкм, также наблюдаются стоксова компонента (8) с длиной волны около 1.71 мкм и антистоксова компонента (А8) с длиной волны вблизи 1.42 мкм. Максимальная энергия импульса стокса достигает «200 нДж в случае положительно-чирпированных импульсов накачки длительностью 13 пс, что соответствует эффективности ВКР преобразования около 2%. При этом необходимо отметить, что повышение эффективности нестационарного ВКР-преобразования можно достичь за счет увеличения длительности чирпированных импульсов
широкополосной накачки, что было продемонстрировано ранее для ВКР-преобразования 1.56 мкм^ 2.84 мкм в полом световоде, заполненном метаном [8].
Работа выполнена при поддержке Гранта РНФ № 19-12-00361.
Рис. 2. Спектры излучения на выходе полого световода (давление водорода - 50 атм.)
1500
1550
1600
1650
Литература
1. Han Y., et al, Progress in Quantum Electronics 71, 100264 (2020)
2. Pavlov I., et al, Opt. Lett. 42, 3028-3031 (2017)
3. PengX., et al, Opt. Express 22, 2459-2464 (2014)
4. Chung H.-Y, et al, Optics Express 25, 15760-15771 (2017)
5. Horton N. G., et al, Nat. Photonics 7, 205-209 (2013)
6. Qin Y., et al, Opt. Express 28, 2317-2325 (2020)
7. Bufetov I.A., et al, Fibers 6, 39 (2018)
8. Krylov A.A., et al, Bulletin of the Lebedev Physics Institute 49(Suppl. 1), S7-S20, (2022)
