ГЕНЕРАЦИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА В СРЕДНЕМ ИК ДИАПАЗОНЕ В ПОЛОМ ВОЛОКОННОМ СВЕТОВОДЕ Текст научной статьи по специальности «Физика»

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-94-95

ГЕНЕРАЦИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА В СРЕДНЕМ ИК ДИАПАЗОНЕ В ПОЛОМ ВОЛОКОННОМ СВЕТОВОДЕ

Гладышев А.В.*, Притуленко И.Г., Яценко Ю.П., Колядин А.Н., Буфетов И.Г.

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН,

г. Москва E-mail: [email protected]

Источники суперконтинуума (СК) востребованы для многочисленных применений в различных областях от мониторинга окружающей среды и до биомедицины. Особый интерес представляют источники СК, которые в качестве накачки могут использовать широко распространенные лазеры ближнего инфракрасного (ИК) диапазона и, в то же время, могут эффективно преобразовывать энергию накачки в средний ИК диапазон (X > 2,4 мкм), который недоступен для волоконных лазеров на основе кварцевых световодов.

Одним из перспективных подходов к созданию таких источников СК является использование кварцевых световодов с полой сердцевиной (СПС), заполненных комбинационно-активными газами [1-3]. В этом случае эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в газе способствует более эффективному преобразованию излучения накачки в средний ИК диапазон, в то время как накачка ультракороткими импульсами может привести к уширению выходного спектра вплоть до генерации суперконтинуума.

Недавно нами был продемонстрирован суб-пикосекундный рамановский газовый волоконный лазер (ГВЛ), генерирующий в среднем ИК диапазоне. Генерация в среднем ИК достигалась с помощью двухкаскадного ВКР 1.03 ^ 1.49 ^ 2.68 мкм в револьверном световоде, заполненном дейтерием [3]. Однако выходной спектр рамановского ГВЛ состоял из относительно узких спектральных линий. В данной работе мы исследуем спектральные свойства рамановского ГВЛ в зависимости от давления газа, энергии и длительности импульса накачки. В результате получена генерация многозонного суперконтинуума в спектральном диапазоне от 0,65 до 3,3 мкм.

a)

б)

Рис.1. (а) Блок-схема экспериментальной установки. (б) Спектры, измеренные на выходе полого волоконного световода, заполненного дейтерием при комнатной температуре и давлении p = 30 атм, при накачке импульсами с энергией 50 мкДж. Длительность импульсов накачки составляла 12 пс (синяя кривая) и 1 пс (красная кривая). Спектр оптических потерь полого световода (серая кривая) также

показан для сравнения

Схема экспериментальной установки показана на Рис. 1а. Использовался револьверный световод длиной 2,9 м, более подробно описанный в [3]. В качестве источника накачки использовался иттербиевый лазер (ТЕТА-6, Avesta), генерирующий спектрально-ограниченные импульсы длительностью 250 фс с энергией до Еритр = 400 мкДж на длине волны X = 1032 нм. Длительность импульсов накачки варьировалась от 0,25 до 12 пс путем положительной линейной частотной модуляции (чирпа) импульсов. Давление дейтерия изменялось от 5 до 30 атм. Эффективность ввода

94

№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]

излучения накачки в полый световод составляла 73%. В спектральном диапазоне 1000-5000 нм выходные спектры регистрировались монохроматором с охлаждаемым жидким азотом детектором InSb (Hamamatsu). В спектральном диапазоне 600-1750 нм использовался оптический анализатор спектра (Ando).

При использовании достаточно длинных импульсов накачки (тpump « 10 пс) доминирующим нелинейным эффектом является ВКР на колебаниях молекул дейтерия. В результате реализуется двухкаскадное преобразование длины волны накачки в средний ИК диапазон 1,03 ^ 1,49 ^ 2,68 мкм (рис. 1б, синяя кривая). При этом около 25% квантов накачки преобразуются во вторую стоксовую компоненту (2,68 мкм) независимо от используемого в экспериментах давления дейтерия (5-30 атм). Однако при уменьшении длительности импульсов накачки до тpump ~ 3 пс, ВКР сопровождается другими нелинейными эффектами, такими как фазовая само- и кросс-фазовая модуляция. В результате происходит уширение выходного спектра рамановского ГВЛ с одновременным снижением эффективности ВКР-преобразования в средний ИК диапазон. Для тpump = 250 фс второй каскад рамановского преобразования был существенно подавлен, и излучение среднего ИК диапазона на выходе лазера не наблюдалось.

Максимальное уширение выходного спектра рамановского ГВЛ достигалось при т pump « 1^1.5 пс. Уширение спектра наблюдалось не только в области второй стоксовой компоненты (2.68 мкм), но и в области накачки (1.03 мкм), а также первой стоксовой (1.49 мкм) и антистоксовой (0.788 мкм) компонент. В результате была получена генерация суперконтинуума в спектральной области от 0.65 до 3.3 мкм (Рис. 1б, красная кривая). Выходной спектр состоит из широких спектральных полос (зон), разделенных участками спектра, в которых выходное излучение практически отсутствует. Такой многозонный характер выходного излучения хорошо объясняется спектром оптических потерь полого световода (рис. 1б, серая кривая).

Многозонный суперконтинуум с шириной спектра от 0.65 до 3.3 мкм удается получить при любом давлении газа PD2, использованном в экспериментах. При повышении давления для генерации суперконтинуума требуется меньшая энергия в импульсе накачки Epump. При давлении PD2 = 5 атм наиболее широкий спектр достигается при Epump = 210 мкДж, тогда как при PD2 = 30 атм достаточно энергии Epump « 50 мкДж для генерации спектра такой же ширины (рис. 1б, красная кривая). Квантовая эффективность преобразования накачки в область длин волн более 2 мкм возрастает от 6 до 15 % с ростом давления от 5 до 30 атм, соответственно. Результаты численного моделирования указывают на то, что оптимизация модового состава излучения и длины полого световода могут привести к дальнейшему увеличению, как спектральной ширины, так и эффективности генерации суперконтинуума в среднем ИК диапазоне.

В заключение реализована генерация многозонного суперконтинуума в полом револьверном световоде, заполненном молекулярным дейтерием. При накачке на длине волны 1032 нм источник суперконтинуума покрывает диапазон длин волн от 0,65 до 3,3 мкм. При этом, двухкаскадное ВКР на колебаниях молекул дейтерия способствует тому, что «15% квантов накачки преобразуются в область длин волн более 2 мкм. Таким образом, револьверные световоды, заполненные рамановски-активными газами, являются перспективными кандидатами для создания волоконных источников суперконтинуума со спектральным покрытием до 5 мкм.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №19-12-00361.

Литература

1. V. Gladyshev, M.S. Astapovich, Y.P. Yatsenko, A.F. Kosolapov, A.G. Okhrimchuk and I.A. Bufetov, Quantum

Electron. 49(12), 1089-1092 (2019)

2. S. Loranger, P.St J. Russell and D. Novoa, J. Opt. Soc. Am. B 37, 3550-3556 (2020)

3. Gladyshev, Yu. Yatsenko, A. Kolyadin, V. Kompanets, I. Bufetov, Opt. Mater. Express, 10, 3081-3089 (2020)

№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected] 95