Многоимпульсные режимы генерации в тулиевом волоконном кольцевом лазере высокой мощности с пассивной синхронизацией мод Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МНОГОИМПУЛЬСНЫЕ РЕЖИМЫ ГЕНЕРАЦИИ В ТУЛИЕВОМ ВОЛОКОННОМ КОЛЬЦЕВОМ ЛАЗЕРЕ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД

1* 1 111 1 Воропаев В.С. , Донодин А.И. , Воронец А.И. ' Батов Д.Т. , Власов Д.С. , Лазарев В.А. '

Тарабрин М.К.1'2, Крылов А.А.3, Карасик В.Е.1

1 Научно-образовательный центр «Фотоника и ИК техника», МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва 2Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, г. Москва 3Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва E-mail: [email protected]

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16101

Волоконные тулиевые лазеры с пассивной синхронизацией мод в настоящее время представляют интерес для широко круга применений в науке, технике и медицине [1]. Одним из наиболее перспективных применений тулиевых волоконных лазеров с синхронизацией мод [2] является генерация суперконтинуума в средней ИК-области спектра, которая может использоваться для количественного и качественного определения концентраций различных газов, в том числе биомаркеров заболеваний человека в выдыхаемом воздухе [3] и газов в составе воздуха окружающей среды [4]. Применительно к вопросу генерации суперконтинуума большое внимание уделяется изучению лазеров с синхронизацией мод с нерегулярными импульсами, такими как солитонный дождь [5] и группы слабосвязанных солитонов [6]. Указанные режимы могут использоваться для генерации суперконтинуума с особенными характеристиками, такими как высокая средняя мощность и высокая равномерность спектральной плотности мощности по всей ширине спектра. В данной работе демонстрируется переключение между двумя нерегулярными режимами многоимпульсной генерации солитонным дождём и группой слабосвязанных солитонов в полностью волоконном кольцевом тулиевом лазере с пассивной синхронизацией мод на основе нелинейной эволюции поляризации путем случайной настройки поляризационных контроллеров.

Схема кольцевого резонатора лазера представлена на рисунке 1,а. Для накачки используется эрбий-иттербиевый лазер с длиной волны 1550 нм и максимальной мощностью 3,36 Вт. Дисперсия групповых скоростей (ДГС) активного алюмосиликатного световода, легированного ионами тулия, составляет р2 = - 70,8 пс2/км на длине волны 1900 нм, а поглощение слабого сигнала 44,5 дБ/м на длине волны 1550 нм. На рисунке 1,б показана зависимость выходной мощности лазера от мощности накачки, на рисунке 1,в показана дисперсия групповых скоростей световодов резонатора в зависимости от длины волны. Суммарная длина резонатора составила 16,09 м, суммарная ДГС резонатора Р^ = - 0,859 пс2/км, фундаментальная частота повторения импульсов составила 13 МГц. Излучение накачки вводится в резонатор через спектральный мультиплексор 1550/2000, выполненный из световода SMF-28. Два контроллера поляризации используются для настройки режима синхронизации мод. Для однонаправленной генерации и дискриминации импульсов по интенсивности используется изолятор-поляризатор, выполненный из волокна с сохранением состояния поляризации. Для увеличения нелинейности в резонаторе и, как следствие, снижения порога синхронизации мод введено 10,16 м световода SMF-LS, с ДГС равной р2 = - 45,8 пс2/км на длине волны 1900 нм, которая меньше значения ДГС световода SMF-28 равной р2 = - 65,11 пс2/км на той же длине волны.

При различных настройках контроллеров поляризации наблюдаются два различных режима генерации (солитонный дождь и группы слабосвязанных солитонов), порог синхронизации мод по выходной мощности излучения составил 30 мВт для обоих режимов генерации. На рисунке 2 представлены основные оптические характеристики данных режимов: осциллограммы импульсов (а), автокорреляции интенсивности (б), оптические спектры (в) - измеренные при 500 мВт выходной мощности. Более того, наблюдалось периодическое переключение между режимом генерации солитонного дождя и режимом слабосвязанных солитонов при неизменных положениях контроллеров поляризации и мощности накачки. На рисунке 2,а изображена динамика перехода режима генерации солитонного дождя в режим генерации группы слабосвязанных солитонов. В начале (0 мс) в резонаторе генерируется солитонный дождь с большим расстоянием между импульсами. При времени 100 и 200 мс группа солитонов отделяется от конденсированной фазы, а при времени 300 мс они начинают возвращаться обратно, при времени 400 и 500 мс все солитоны «схлопываются» в конденсированную фазу группы слабосвязанных солитонов, при этом по сравнению с временем 0 мс

202 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

длительность группы импульсов уменьшилась в 5 раз, а пиковая мощность импульсов возросла. Полученные импульсы имеют длительность равную 931 фс, ширина спектра для режима генерации солитонного дождя составила 3,1 нм, а для режима генерации группы слабосвязанных солитонов -1,3 нм. Спектр группы слабосвязанных солитонов плохо аппроксимируется функцией квадрата гиперболического секанса и, судя по всему, представляет собой усредненный спектр нескольких импульсов с различными параметрами.

10.16м

Er-Yb лазер 1550 Нм. Î36BÎ

—а— Данные -liueaifit

Наклон:0.26313 /■

Г -50 -

-100

а)

0 12 3 Мощность накачки. Вт

6)

1700 1S00 1900 2000 Длина волны,нм

Б)

Рис.1. (а) Схема полностью волоконного тулиевого лазера с пассивной синхронизацией мод, основанной на нелинейной эволюции поляризации: WDM - спектральный мультиплексор, КП - контроллер поляризации; (б) зависимость средней мощности лазера от мощности накачки; (в) Дисперсия групповых скоростей световодов, образующих резонатор, в зависимости от длины волны

спа&кташшя солпгоию«

FWHM/1-54- = I

=931.30 фс

§ 0Л

9

I 0.01

I

g 1Е-3 |

| 1Е-4

I ё

1Е-5

— , , 1Ч01 , . .

-Гр)пш ела -'4)5 оевчаннье (шгатснов К =1890,6 нм. ¡й.^ }=1.3 ны

А

1 Уук

а)

■ 70-60-50-40 -30-20-10 0

Время, не

-2 0 2 4 Задержка, пс

1880 ¡885 1890 1895 Длина волны, нм

В)

1900

Рис.2. (а) Осциллограмма импульсов, описывающая динамику перехода режима генерации солитонного

дождя в режим генерации группы слабосвязанных солитонов; (б) автокорреляция интенсивности солитонного дождя (черная криавя) и группы слабосвязанных солитонов (красная кривая); (в) спектры излучения солитонного дождя (черная кривая) и группы слабосвязанных солитонов (красная кривая)

Автокорреляция интенсивности для режима генерации группы слабосвязанных солитонов имеет более высокое значение отношения пьедестала к пику, равное 0,18 по сравнению с режимом генерации солитонного дождя. Мы предполагаем, что некоторые эффекты (такие как электрострикция или акустические эффекты), действующие как возмущения на резонатор лазера, могут влиять на силу взаимодействия солитонов, что приводит к формированию групп слабосвязанных солитонов.

После усиления мощности данных режимов генерации, они могут быть использованы для генерации некогрентного суперконтинуума с высокой средней мощностью и высокой равномерностью спектральной плотности мощности по всей ширине спектра в флюоридных и халькогенидных светводах.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1838-00927.

Литература

1. Rudy C.W, et al, Opt. Fiber Technol. 20(6), 642-649 (2014)

2. Voropaev V.S., et al, Proceedings ofASSL 2018, Boston, United States, paper- AM6A.19 (2018)

3. Wang C, et al, Sensors 9(10), 8230-8262 (2009)

4. Kulkarni O.P., et al,JOSA B 28(10), 2486-2498 (2011)

5. Chouli S., et al, Opt. Express. 17(14), 11776-11781 (2009)

6. Gumenyuk R., et al, IEEE J. Quantum Electron. 48(7), 903-907(2012)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

203