Генерация шумовых импульсов в волоконных лазерах с пассивной синхронизацией мод Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВКВО-2019- Стендовые

ГЕНЕРАЦИЯ ШУМОВЫХ ИМПУЛЬСОВ В ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРАХ С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД

Комаров А.К.1*, Комаров К.П.1, Терентьев В.С.1, Ли Л.2, Чжао Л.М.2

1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск, Россия 2 Цзясунская ключевая лаборатория передовых лазерных материалов и устройств, Совместный инновационный центр передовых лазерных технологий и промышленных разработок, Школа физики и электронной техники, Университет Цзянсу, г. Сюйчжоу, Китай * Е-таИ:котагоу@1ав. тк. 8и

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16187

Дан анализ динамики генерации шумовых импульсов, состоящих из стохастически меняющихся диссипативных солитонов. Установлен механизм пространственно-временной локализации таких импульсов, препятствующий их распаду на отдельные независимые солитоны. Полученные результаты могут представлять интерес для разработки и создания волоконных лазеров высокоэнергетических импульсов с широким спектром излучения, превышающим ширину полосы усиления активной среды [1].

Для анализа используется безразмерное комплексное уравнение с нелинейностью потерь и показателя преломления 3-5-ой степени, которое описывает эволюцию поля в однонаправленном

кольцевом лазере с равномерно распределенной внутрирезонаторной средой [2, 3]:

( \

1 + а

Ж (ТЛ . 2 Е - = ШГ + )--

дС 1 г ' д22

ч

Е:

1 + Ъ\\Е 2 ск

-1 -а + (гд + р)1 + (/^2 -Р2У

Е, (1)

где Е(С, т) - амплитуда электрического поля, т - временная переменная в единицах St = \ь!2 -

дисперсия групповой скорости второго порядка для внутрирезонаторной среды и Ь - длина резонатора), С, - нормированное расстояние, пройденное полем (число проходов излучения через лазерный резонатор), Ог и Di - частотные дисперсии усиления и показателя преломления, соответственно, ^ и д2 - нелинейности показателя преломления 3-го и 5-го порядков, р и р2 -

I |2

нелинейности потерь 3-го и 5-го порядков. I = Е - интенсивность излучения, а - параметр накачки, Ъ - параметр насыщения усиления. Параметр р > 0 определяет нелинейные потери, формирующие импульс. Параметр р2 > 0 определяет нелинейные потери, ограничивающие пиковую интенсивность формируемого импульса. о - полные линейные резонаторные потери. Выбор численных значений параметров уравнения (1) для проведения компьютерного моделирования генерационной динамики определялся требованием наиболее близкого соответствия реальным волоконным лазерам, работающим в режиме шумовых импульсов [1, 4].

Рисунок 1 демонстрирует переходной процесс, длящийся около 10 проходов поля через лазерный резонатор, и установившийся режим генерации шумового импульса. Начальное распределение интенсивности описывается гауссовой функцией. Как показывает численное моделирование, шумовой импульс является весьма устойчивым образованием несмотря на постоянное хаотическое движение и изменение формирующих его солитонов.

Рисунок 2 позволяет проследить эволюцию одиночного уединенного солитона (270 < т < 295) и шумового импульса с небольшим числом солитонов (295 < т < 370), оказавшихся вне основного шумового импульса в результате интенсивного хаотического движения и взаимодействия внутриимпульсных солитонов. После нескольких колебаний энергия уединенного солитона уменьшилась, и он исчез из генерации. Как и в случае уединенного солитона, малый шумовой импульс также не выдерживает конкуренции с основным шумовым импульсом и вытесняется из генерации.

Причина такой конкуренции заключается в следующем. Для уединенных солитонов частотные чирпы для правой и левой половин солитона имеют разные знаки и равны по величине. Для таких солитонов чирп накапливается с ростом числа проходов поля через резонатор и принимает значительную величину, что снижает эффективность их усиления из-за частотной дисперсии усиления и резонаторных потерь. Этот механизм уменьшения усиления значительно ослаблен для солитонов, находящихся в основном шумовом импульсе, поскольку они формируются из шумовой составляющей поля, из его фрагментов, которые имеют наиболее подходящую фазовую модуляцию

358 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

ВКВ0-2019 Стендовые

для такого формирования. Кроме того, стохастическое взаимодействие солитонов друг с другом в основном шумовом импульсе также ослабляет формирование частотного чирпа и повышает эффективность усиления солитонов. Этим объясняется преимущество в конкуренции шумового импульса по сравнению с одиночным солитоном и с шумовым импульсом, состоящим из небольшого числа солитонов. В результате этого преимущества, все полевые структуры, отделившиеся от основного шумового импульса, вытесняются из генерации. Как следствие, шумовой импульс имеет хорошую пространственно-временную локализацию и является устойчивым образованием, несмотря на неустойчивость солитонов, из которых он состоит.

10 5 0

С

10

5000 100000 500000

200 т

75

10

5

0

325

Рис. 1. Временное распределение интенсивности I(г) в зависимости от числа проходов поля через лазерный резонатор £

с, 320 С 380

500 270

6 3 0

370

320 Т

Рис. 2. Эволюция уединенного солитона (270 < г < 295) и малого шумового импульса (295 <г<370), шумового импульса

оказавшихся вне основного

(a)

800

Iœ 400

0

œ

(b)

200

Iœ 100

0

œ

Рис. 3. (а) Мгновенное спектральное распределение шумового импульса и (Ь) усредненное спектральное распределение Iш (сплошная линия) при £ = 105. Интервал усреднения составляет д£ = 104. Пунктирная кривая на рис. (Ь) описывает зависимость I® = 190/^^ (0.5®)

Рисунок 3 демонстрирует спектральные характеристики шумового импульса. Усредненный спектр такого импульса хорошо аппроксимируется функцией в виде квадрата гиперболического секанса.

Режим шумовых импульсов наблюдался как для случая аномальной D¡ > 0, так и нормальной дисперсии D¡ < 0. При этом в обоих случаях при реализации режима шумовых импульсов выполнялось условие: D¿q2 > 0.

Волоконные лазеры, работающие в режиме шумовых импульсов, представляют интерес как источники высокоэнергетических импульсов с широким спектром излучения, ширина которого может превышать спектральную ширину полосы усиления. Такие лазеры имеют потенциальное применение в оптической когерентной томографии, оптических когерентных радарах и оптоволоконных сенсорных системах.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и ГФЕН Китая в рамках научного проекта №19-52-53002, а также проектов №11911530083 и № 11674133.

Литература

1. Zhao L., et al, Opt. Comm. 281, 157-161 (2008)

2. Thual O. and Fauve S., J. Phys. France 49, 1829-1833 (1988)

3. Komarov A., et al, Phys. Rev. A 96, 033820 (2017)

4. Soto-Crespo J.M., Grelu Ph., andAkhmediev N., Phys. Rev. E 84, 016604 (2011)

0

0

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 359