Научная статья на тему 'Исследование особенностей ВКР-генерации диссипативных солитонов во внешнем резонаторе из фосфоросиликтного волокна'

Исследование особенностей ВКР-генерации диссипативных солитонов во внешнем резонаторе из фосфоросиликтного волокна Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
77
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Фотон-экспресс
ВАК
Область наук
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Харенко Д. С., Беднякова А. Е., Жданов И. С., Федорук М. П., Бабин С. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование особенностей ВКР-генерации диссипативных солитонов во внешнем резонаторе из фосфоросиликтного волокна»

ИССЛЕДОВАНИЕ 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: zhdanovis@iae.nsk.su

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» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

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» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 201

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.