CC BY
18МЕТОД СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИЗАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕШЕТОК В ВОЛОКОННОМ САМОСКАНИРУЮЩЕМ ЛАЗЕРЕ
12* 1 12 Лобач И.А. ' ' , Дробышев Р.В. , Подивилов Е.В. ' , Каблуков С.И.
1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск E-mail lobach@iae.nsk.su
1,2
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16116
Одним из необычных режимов лазерной генерации является самоиндуцированное сканирование (самосканирование) частоты [1]. В этом режиме оптическая частота лазера изменяется скачками от импульса к импульсу на одну частоту межмодовых биений, несмотря на отсутствие каких-либо элементов перестройки в лазере. Причиной сканирования являются динамические решетки усиления и показателя преломления, которые возникают в активной среде самосканирующего лазера во время генерации [2]. Решетки обусловлены продольной неоднородностью инверсии населенности активной среды вследствие формирования стоячей волны в резонаторе. Фактически динамическая решетка становится отражателем внутри резонатора и создает динамическую распределенную обратную связь, которая определяет спектральную динамику лазера. Ранее динамические решетки уже становились объектом исследований (например, [3]). Однако в большинстве работ такие структуры формируются внешним образом, а не в процессе лазерной генерации, как это происходит в лазере с самосканированием частоты. Исследование структур в работающем (горячем) лазере представляет отдельную задачу. Моделирование [4] показывает, что коэффициент отражения таких структур в момент лазерной генерации может достигать десятков процентов. Однако, экспериментальные работы [5-6] демонстрируют несколько меньшие значения.
В частности, в работе [5] были предприняты попытки получить спектр отражения решеток с помощью измерения мощности пробного излучения с фиксированной длиной волны. Перестройка длины волны самосканирующего лазера приводит к постоянной перезаписи динамических решеток и смещению максимума их отражения. Для исключения влияния пробного излучения на лазерную генерацию применялась поляризационное разделение. Оценки, сделанные на основании экспериментальных данных [5] показали, что коэффициент отражения может достигать 7%. Однако, спектр отражения был сильно искажен из-за неоднородности двулучепреломления в волокне с сохранением поляризации. В работе [6] предлагается временное разделение пробного и лазерного излучения. Для этого накачка самосканирующего лазера выключалось в моменты, когда в лазер подавалось пробное излучение. При этом для измерения спектров отражения использовалось перестраиваемое по частоте пробное излучение. Такой подход позволил оценить временные характеристики динамических решеток и получить более подробные спектры отражения решеток. Однако полученные спектры отражения были искажены дополнительной модуляцией, вызванной накоплением пробного излучения в резонаторе самосканирующего лазера. Отметим, что в случае скрещенных поляризаций, использовавшихся в [5], излучение пробного поля не накапливалось в резонаторе, поскольку в лазере присутствует поляризатор. В данной работе, предлагается новая схема измерения спектров отражения динамических решеток, где устранены все указанные недостатки.
\ Запись решетки
Волоконное кольцевое зеркало 00%.......
Пробный...............
лазер Циркулятор
Накачка лазера
Сколотый конец волокна опущенный в воду Ri-0.2%
Отраженный сигнал
1-канальный Генератор 2-канльный генератор
Считывание рейгетаи.
Рис. 1 Схема волоконного самосканирующего лазера (черная рамка) и установки для измерения спектра
отражения динамических решеток (синяя рамка)
232
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
Схема установки представлена на Рис.1. В резонатор самосканирующего лазера [6] был добавлен трехпортовый акусто-оптический модулятор (АОМ), который позволяет разделять процесс записи решеток в активном волокне в горячем резонаторе и их считывания с одновременным размыканием волоконного резонатора. После формирования динамической решетки генерируемым излучением накачка лазера отключалась при помощи генератора сигналов на времена ~ 100 мкс. Как было показано ранее, в течение этого времени решетка продолжает существовать в активном волокне по причине большого времени жизни ~1 мс [7]. Пробное перестраиваемое излучение заводится в самосканирующий лазер с небольшой задержкой после выключения накачки. Фотодетектором регистрируется результат интерференции отражений от выходного зеркала лазера и динамической решетки.
Нужно отметить, что в каждом цикле запуска/выключения накачки старая динамическая решетка определяет оптическую частоту генерации лазера, а спектр отражения новой решетка с точностью до частотного сдвига копирует спектр предыдущей. Характерные спектры отражения, нормированные на сигнал отражения от выходного зеркала лазера, представлены на Рис. 2. Измеренные спектры являются результатом интерференции отраженных волн от выходного зеркала и динамической решетки. Результат интерференции зависит от расстояния между отражателями. Рисунки 2а и 2б демонстрируют уменьшение периода модуляции спектра, связанной с этой интерференцией, с ростом расстояния между этими отражателями.
2.8 -
Л ? 4
н
о V 1)
о Z ш ч О) 1.6-
S и Z 1- 1.2 -
Z о
0) (- 0.8-
Z 0.4-
S
0.0-
2.8-
jf ? 4
1- 70
о
о Z ш ч 0) 1 fi
S о Z н 1.2
Z о
0) ft Н
н
Е 0.4
S
00
-700
500
Частота, МГц
Рис. 2 Объединенный спектр отражения динамических решеток при длине отрезка пассивного волокна вблизи выходного зеркала (а) 19 см и (б) 60см: точки - эксперимент, линии - теория [5]
Полученные результаты экспериментов описываются теоретическими зависимостями [5] (линии на Рис.2). Основным параметром модели является амплитуда модуляции показателя преломления решетки, которая, исходя из подгонки экспериментальных данных, составила (1.5±0.1)10-8. Такая модуляция при длине решетки 2.4 м соответствует коэффициенту отражения 0.1%. Более подробное описание установки и обсуждение результатов будет представлено в докладе. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (грант № 18-12-00243).
Литература
1. 2.
3.
4.
5.
6.
Lobach I.A., et al, Optics Express, 19, 17632-40 (2011)
Lobach I.A, et al, Laser Physics Letters, 11, 045103 (2014)
Gan P., et al, Proc. ofSPIE Vol. 10462, pp. 104623Z-1- 104623Z-8 (2017)
Peterka P., et al, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 24, 3, 902608 (2018)
Lobach I.A, et al, Optics Letters 42, 4207-4210 (2017)
Drobyshev R.V, et al, 2018 International Conference Laser Optics, St. Petersburg, 2018, R1-50, (2018) Дробышев Р.В., и др, 8 Семинар по волоконным лазерам, Новосибирск, 59-60, (2018)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
233
