CC BY
28ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВКР-ГЕНЕРАЦИИ
ДИССИПАТИВНЫХ СОЛИТОНОВ ВО ВНЕШНЕМ РЕЗОНАТОРЕ ИЗ ФОСФОРОСИЛИКТНОГО ВОЛОКНА
Харенко Д.С.1'2, Беднякова А.Е.2'3, Жданов И.С.1'2'*, Федорук М.П.2'3' Бабин С.А.1'2
1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск
3
Институт вычислительных технологий СО РАН, г. Новосибирск * E-mail: [email protected]
Б01 10.24411/2308-6920-2019-16100
В ряде современных активно развивающихся областей требуются лазерные источники с длинами волн, выходящими за границы имеющихся активных сред. Одной из таких областей является биомедицина, где востребованы относительно недорогие и надежные источники суб-пикосекундных импульсов с высокой пиковой мощностью и длиной волны генерации вблизи 1,3 мкм и 1,7 мкм [1]. Это так называемые окна прозрачности воды, где возможно получить существенно большую глубину проникновения излучения в исследуемый материал. Традиционно для генерации лазерного излучения с указанными длинами волн используются оптические параметрические генераторы, накачиваемые твердотельными титан-сапфировыми лазерами. Стоимость и сложность таких систем крайне высоки, что сдерживает их широкое внедрение на практике. В волоконных системах широкое распространение получил метод рамановского самосдвига частоты солитона, однако для его реализации в области 1,3 мкм необходимо обеспечить аномальную дисперсию волокна, что здесь достигается только использованием специальных волокон, поддерживающих моды высоких порядков [2]. Всё это делает метод рамановского самосдвига также крайне сложным и дорогостоящим в реализации. Однако высокая пиковая мощность обеспечивается и в полностью волоконных лазерах при генерации сильно-чирпованных диссипативных солитонов (СЧДС). Как известно, генерация излучения на новых длинах волн возможна посредством эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Генерация СЧДС посредством ВКР — так называемых рамановских диссипативных солитонов (РДС) — была продемонстрирована совсем недавно [3,4], и потенциально может служить новым перспективным методом генерации суб-пикосекундных импульсов на нестандартных длинах волн. Для увеличения спектрального сдвига предлагается использовать другие типы волокон, например, фосфоросиликатные (Р205), где этот сдвиг составляет величину ~39 ТГц. При накачке в области 1.1 мкм такое волокно позволяет получить генерацию как раз в районе 1.3 мкм [5]. В этой работе мы исследуем особенности использования внешнего резонатора из фосфоросиликатного волокна для генерации СЧДС как экспериментально, так и численно.
40
35
м 30
25
20
15
10
к 1х X
* 2х, SM • 2х DSF ■ 8х, DSF X
X
'1 ■ • ■ ■
* «-• ■ ■
■ я
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Энергия импульса, нДж
Рисунок 1. Эволюция оптического спектра с увеличением энергии генерируемого РДС (слева); зависимость ширины оптического спектра (по уровню -10 дБ) генерируемого импульса от его энергии при различных конфигурациях внешнего резонатора (справа). Крестами обозначены шумовые режимы с высокой долей ВКР
Схема исследуемого лазера состоит из волоконного лазера накачки и внешнего волоконного кольцевого рамановского резонатора. Так как генерация сильночирпованных диссипативных
200
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
солитонов возможна только в области нормальной дисперсии, значения этого параметра были предварительно измерены для ряда доступных волокон. Для используемого фосфоросиликатного волокна она оказалась нормальной и составила порядка 12 пс2/км. Значение дисперсии также может быть увеличено путём использования волокна со смещённой дисперсией типа DS15-PS (Fujikura). Лазер накачки генерирует диссипативные солитоны, которые после предварительного растяжения и усиления заводятся во внешний резонатор. Длина внешнего кольца выбрана так, чтобы частота повторения накачки была кратна частоте прохождения солитонов по кольцу. Исследовались различные соотношения длин внешнего резонатора к резонатору лазера накачки — режимы т. н. гармонической генерации.
В ходе работы была произведена оптимизация параметров лазера накачки, таких как центральная длина волны, энергия и длительность импульсов. Частота повторения составляла 15,35 МГц. Отношение длины внешнего резонатора к резонатору лазера накачки — 1, 2 и 8. Для увеличения длины использовались как стандартное одномодовое волокно с сохранением поляризации, так и волокно со смещённой дисперсией. С увеличением энергии импульса накачки также увеличивается энергия и ширина спектра РДС вплоть до порога разрушения (рис.1 слева). Увеличение полной дисперсии внешнего резонатора позволяет увеличить этот порог (квадраты на рис. 1 справа), но одновременно приводит и к уменьшению ширины оптического спектра. Кроме этого проведено численное моделирование с использованием подхода, развитого ранее при исследований влияния ВКР в области 1 мкм [6]. В модели рассмотрена аппроксимация функции рамановского отклика из работы [7], соответствующая фосфоросиликатному световоду. Установлено, что узость пика усиления фосфорной компоненты по сравнению с кварцем и расположение нуля дисперсии вблизи 1400 нм качественно изменяют характер усиления и пороги возникновения стохастических ВКР импульсов второго порядка. Изменение концентрации фосфора приводит к изменению соотношения максимумов ВКР-усиления, соответствующих кварцу (SiO2) и оксиду фосфора (P2O5), что также оказывает существенное влияние на генерацию РДС в области 1,3 мкм.
Таким образом, в ходе работы была получена генерация импульсов на длине волны ~1270 нм с энергией до 2,5 нДж, частотой 15.35 МГц и шириной спектра до 23 нм. Оценочная длительность после сжатия до спектрально-ограниченного импульса составила порядка 200 фс. Установлено, что за счёт варьирования полной дисперсии и длины внешнего резонатора можно повысить порог разрушения РДС. Полученные зависимости согласуются с результатами численного моделирования.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-3200409 (Д. С. Х. и И. С. Ж.) и проекта No 38 (0319-2017-0011) комплексной программы фундаментальных научных исследований СО РАН «Междисциплинарные интеграционные исследования» (А. Е. Б., М. П. Ф. и С. А. Б.). Литература
1. Xu, C, and Wise, F. W. Nat. Photonics 7, 875-882 (2013)
2. L. Rishoj, G. et al, Conf. Lasers Electro-Optics, STh3O.3 (2016)
3. S. A. Babin et al, Nat. Commun, 5, 4653 (2014)
4. D. Churin et al, Opt. Lett., 40, 2529-2532 (2015)
5. D. S. Kharenko et al, Opt. Ex., 26, 15084 (2018)
6. A. E. Bednyakova et al, Opt. Ex., 21, 20556, (2013)
7. G. Salceda-Delgado et al. Opt Quant Electron 44, 657 (2012)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 201
