CC BY
21ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ КОНУСНОГО ЭРБИЕВОГО СВЕТОВОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ САМОФОКУСИРОВКИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В СРЕДАХ С АНОМАЛЬНОЙ ДИСПЕРСИЕЙ
Андрианов А.В.1*, Коптев М.Ю.1, Лихачев М.Е.2, Бубнов М.М.2, Липатов Д.С.3, Анашкина Е.А.1, Ким А.В.1, Литвак А.Г.1
1 Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород 2Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва 3 Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г .Нижний Новгород
*E-mail: alex.v.andrianov@gmail.com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16099
Исследование нелинейных процессов, протекающих при распространении мощного импульсного лазерного излучения в среде является важным аспектом лазерной физики. Большой интерес представляет исследование пространственно-временных преобразований ультракоротких импульсов при самофокусировке в среде с аномальной дисперсией, которая может сопровождаться значительным укорочением импульса, а также формированием структур поля типа "волн убийц" (rogue waves). В последнем случае требуется наблюдение большого числа реализаций эксперимента для детектирования редких событий и для исследования статистики параметров выходного излучения. Благодаря развитию технологий волоконной оптики появилась возможность проводить исследования самофокусировки в области аномальной дисперсии с помощью компактных волоконных лазерных систем, работающих с достаточно высокой частотой повторения. Нами была разработана лазерная система на основе конусного волоконного эрбиевого усилителя чирпированных импульсов, генерирующая 0.5-пс импульсы с энергией 10 мкДж на длине волны 1.56 мкм. Система использована для исследования самофокусировки мощного импульса в стекле. С помощью оригинальной схемы диагностики импульсов на основе спектральной интерферометрии, работающей в режиме одного импульса ("single-shot"), зарегистрировано формирование сложной структуры импульса с характерной длительностью около 70 фс в приосевой области пучка.
Схема лазерной системы приведена на рис. 1. Задающий лазер с синхронизацией мод генерировал импульсы с частотой повторения 50 МГц, длительностью 230 фс на длине волны 1.56 мкм, которые затем растягивались в отрезке германатного световода с нормальной дисперсией групповых скоростей (-54 пс/нм-км) длиной 320 м до длительности ~100 пс. После чего импульсы усиливались эрбиевым предусилителем до мощности 100 мВт, прореживались акустооптическим модулятором до частоты следования 100 кГц и вновь усиливались во втором предусилителе до средней мощности ~1 мВт.
198
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
Рис.1. Схема эрбиевой волоконной лазерной системы
В качестве оконечного каскада использовался усилитель на основе эрбиевого активного конусного световода. Его длина составила 3.5 м, диаметр сердцевины на входе 20 мкм, и 75 мкм на выходе. За счет адиабатического увеличения диаметра световода по длине, удается сохранить одномодовый режим распространения излучения в его толстом конце, который в общем случае является многомодовым. Накачка конусного световода осуществлялась мощным многомодовым лазерным диодом на длине волны 976 нм во встречном к сигналу направлении. В результате, после сжатия в дисперсионном компрессоре были получены импульсы длительностью 500 фс с энергией 10 мкДж, при этом энергия в импульсе была ограничена мощностью накачки.
С помощью построенной системы было проведено исследование пространственно-временной динамики импульса, распространяющегося через нелинейную среду с аномальной дисперсией (стекло BK7) в режиме самофокусировки (см. рис. 2). Излучение с помощью длиннофокусной линзы (20 см) фокусировалось в стержень из стекла длиной 7 см. При высокой энергии импульса излучение испытывало самофокусировку, сопровождавшуюся сильным уширением спектра и изменением временной структуры импульса. Превышение порога самофокусировки было не очень большим: пиковая мощность импульса оценивалась как Р~1.3 Рсг (Рсг - критическая мощность самофокусировки).
Рис. 2. Схема эксперимента по измерению пространственно-временной структуры импульса, испытавшего самофокусировку в стекле, (а) и результаты измерения (б)
Для восстановления временной структуры импульса в нескольких точках по поперечному сечению пучка был разработан оригинальный метод спектральной интерферометрии со специально подготовленным опорным пучком, работающий в режиме одного импульса ("single-shot"). Опорный широкополосный сигнал для спектральной интерферометрии генерировался за счет уширения спектра импульса от волоконной системы в коротком отрезке нелинейного волокна с нормальной дисперсией (2 см волокна с тонкой сердцевиной, сильно легированной оксидом германия). Спектр шириной более 200 нм полностью покрывал спектральную область, в которой сосредоточена основная энергия исследуемого сигнала. Изображение исследуемого пучка с выходной грани стеклянного стержня переносилось с увеличением на диафрагму с помощью которой могла быть выделена интересующая область пучка; далее исследуемый сигнал объединялся на делительном зеркале (50/50) с опорным пучком. Спектр опорного сигнала и спектральная интерференция одновременно записывались двухканальным спектрометром на основе InGaAs CCD линейного сенсора в режиме одного импульса. Спектральная фаза опорного пучка, который даже несмотря на очень большое уширение спектра был намного стабильнее исследуемого, измерялась методом FROG (frequency resolved optical gating). В результате восстановления формы импульса было выяснено, что при распространении мощного импульса исходной длительностью около 500 фс в режиме самофокусировки в среде с аномальной дисперсией происходит дробление импульса во времени в приосевой области пучка. В нашем случае формировались 2-4 импульса, при этом характерная длительность наиболее коротких импульсов составляла около 70 фс (рис. 2б). Построенная система далее может быть использована для проведения серии экспериментов, в которой предполагается исследовать статистику параметров излучения на выходе нелинейной среды.
Создание и исследование эрбиевого конусного световода проводилось в рамках работ, поддержанных грантом Российского научного фонда № 16-12-10553. Исследование самофокусировки в среде с аномальной дисперсией проводилось в рамках работ, поддержанных грантом Российского научного фонда № 16-12-10472.
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
199
