CC BY
0
УДК 535.012
А. Исмаил1'2, Н. Р. Арутюнян1'2, Е. А. Образцова1'2, Натсуми Коматсу3, Юничиро Коно3, Е. Д. Образцова1'2
1 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет) 2Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук 3Университет в г. Райе (США)
Насыщающийся поглотитель на основе упорядоченных одностенных углеродных нанотрубок
Рассматривается задача исследования оптических свойств упорядоченных вдоль одной оси, параллельно к плоскости образца, одностенных углеродных нанотрубок с целью создания насыщающегося поглотителя для волоконного эрбиевого лазера фем-тосекундных импульсов, работающего в ближнем ИК-диапазоне. Возможность генерации ультракоротких импульсов с помощью исследуемого насыщающегося поглотителя в лазере данного типа была изучена методом численного моделирования. Результаты показывают возможность манипуляции выходными характеристиками излучения лазера данного типа посредством изменения угла ориентации трубок относительно оптической оси.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, волоконные лазеры, лазеры ультракоротких импульсов, пассивная синхронизация мод
A. Ismaeel1'2, N. R. Arutyunyan1'2, E. A. Obraztsova1'2, Natsumi Komatsu3, Junichiro
Kono3, E. D. Obraztsova1'2
1 Moscow Institute of Physics and Technology 2 Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences 3Departments of Electrical and Computer Engineering, Physics and Astronomy, and Materials Science and NanoEngineering, Rice University, Houston, Texas 77005, USA
Saturable absorber based on aligned single-walled carbon
nanotubes
The investigation of aligned single-walled carbon nanotubes was conducted in order to prepare saturable absorber for femtosecond Er-doped fiber laser. The generation of ultrashort pulses in the near IR wavelength range in such lasers was numerically studied. Results show the ability of manipulation of output pulses characteristics by changing the angle of nanotube orientation with respect to the optical axis.
Key words: carbon nanotubes, fiber lasers, ultrashort pulses lasers, passive mode-locking
1. Введение
Волоконные лазеры ультракоротких импульсов (УКИ) широко используются в различных областях науки и техники: в медицине для неинвазивной диагностики в составе исследовательских комплексов на основе терагерцовой импульсной спектроскопии, в частотной
© Исмаил А., Арутюнян Н. Р., Образцова Е. А., Натсуми Коматсу, Юничиро Коно, Образцова Е. Д., 2024
(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2024
метрологии для прецизионного измерения расстояний, в лазерно-информационных технологиях и телекоммуникациях для синхронизации и калибровки систем передачи, в астрофизике, в системах прецизионной спектроскопии и др. Односменные углеродные нанотруб-ки (ОУНТ) становятся все более распространенным материалом, используемым в качестве насыщающихся поглотителей (НП) в инфракрасных лазерах УКИ благодаря множеству преимуществ, которые этот тин НП обеспечивает но сравнению с другими тинами насыщающихся поглотителей. Однако из-за растущих) применения и технических требований для получения сверхстабильных лазерных импульсов были выявлены некоторые недостатки УНТ, такие как джиггер (временной шум) в выходном излучении лазера, а также повышение порога насыщения синхронизации мод из-за относительно длинного времени релаксации но сравнению с другими искусственными НП (например, использующими нелинейную эволюцию поляризации НЭП). В связи с описанной проблемой возникла идея данной работы но использованию упорядоченных углеродных нанотрубок в качестве насыщающихся поглотителей в волоконных лазерах УКИ. В предыдущих исследованиях упорядоченные УНТ продемонстрировали много преимуществ но сравнению с типичными неупорядоченными тинами нанотрубок [1, 2|. Наиболее важным из этих преимуществ является возможность использования их в качестве поляризатора света, поскольку (как мы объясняем в данной работе) эти трубки демонстрируют поляризационную зависимость прохождения света от угла их ориентации относительно оптической оси в плоскости образца. Иначе говоря, взаимодействие между падающим поляризованным светом и упорядоченными УНТ можно контролировать, изменяя угол ориентации трубок. Эта особенность может быть использована в волоконных лазерах, где в случае идеального взаимодействия между лазерным излучением и трубками можно изменять глубину модуляции трубок путем изменения угла их ориентации относительно оптической оси. Этот метод может способствовать управлению характеристиками выходного излучения лазера, а также уменьшит ненасыщенные потери и нежелательное взаимодействие между лазерным излучением и трубками, что позволит понизить порог насыщения интенсивности при синхронизации мод и, таким образом, уменьшить мощность накачки, вызывающей повышенный интенсивностный и временной шум на выходе лазера.
2. Основные характеристики упорядоченных одностенных углеродных нанотрубок
Были изучены оптические свойства упорядоченных ОУНТ, синтезированных дуговым методом и упорядоченных методом вакуумной фильтрации [3]. На рис. 1 показаны изображения, полученные в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) для плёнок из неупорядоченных и упорядоченных нанотрубок.
а) б)
Рис. 1. Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), типичных неупорядоченных нанотрубок (а) и упорядоченных нанотрубок (б)
Метод комбинационного рассеяния (КР) света является наиболее информативным
при диагностике углеродных наноструктур. Типичный спектр комбинационного рассеяния (КР) света ОУНТ, синтезированных дуговым методом, был зарегистрирован на спектрометре НОШВА ЬаЬЫАМ НЫ с лазерным возбуждением с длиной волны 532нм (рис. 2). Обнаружено расщеплением С-моды на С+ и ^"-компоненты с КР сдвигами 1590 см-1 и 1577 см-1 соответственно, ^-мода (вблизи 1340 см-1) и радиальная дыхательная мода (ШЗМ) с КР сдвигом 175 см-1.
Ct
ф
л
I-
о о г ш
S
о
X О) I-
А RBM 1590 G*-mode
г V
150 200 250 3 Рамановский сдвиг, cw 00 -1 1577
G"-mode^j
Рамановский сдвиг, см~1
Рис. 2. Спектр КР света в ОУНТ
Рис. 3. Иллюстрация метода поляризованного КР света (а). Интенсивность С+-моды ОУНТ в зависимости от угла ориентации оси нанотрубки в параллельной (УН) (б) и скрещенной (КК) (с) геометриях измерений. Пунктирные линии представляют теоретическую зависимость о4(д) , — сов2(в) 8т2(0), а сплошные линии представляют зависимость при 6 = 13 гра-
Ivv = cos4(в), IVH дусов
Исследование методом поляризованного КР света было выполнено для того, чтобы продемонстрировать зависимость интенсивности рассеяния света от угла ориентации ОУНТ относительно оптической оси и определить полуширину углового распределения ОУНТ в плоскости пленки. Изменение интенсивности G-моды в зависимости от угла ориентации в показано на рис. 2 как для параллельной (VV), так и для перекрестной (VH) ориентации поляризаторов. Экспериментальные результаты согласуются с теоретической зависимостью интенсивности от ориентации образца Ivv = cos4(в), 1ун = cos2(в) sin2(0) [4]. Здесь соотношение минимальной и максимальной интенсивностей С+-моды составило 106 для VV и 9 для VH. Полуширина углового распределения 5 ОУНТ определялась с помощью следующих ур авнений:
Ivv = F(6, ф) cos4(0 — Ivh = F(5, ф) cos2 (в — ф) sin2(6> — ф)й
где в - угол между осью нанотрубок и направлением поляризации, Р(5, ф) - функция рас-
лучшее соответствие экспериментальных результатов теоретическим расчетам приводит к оценке 5 около 13 градусов для УН.
3. Численное моделирование волоконного эрбиевого лазера УКИ
с пассивной синхронизацией мод на основе нелинейнного уравнения Шрёдингера (НУШ)
На рис. 4 представлен алгоритм моделирования кольцевого эрбиевого волоконного лазера с гибридной синхронизацией мод на основе естественного НИ в виде пленки упорядоченных ОУНТ и искусственного НП в виде нелинейной эволюции поляризации (НЭП). Пленка ОУНТ находится на торце волоконного коннектора и включена в полностью волоконный резонатор лазера. Общая длина резонатора составляет 13,47 м, что приводит к частоте повторения импульсов 15, 95 МГц. Полная дисперсия групповой скорости (ДГС) внутри резонатора составляет -0,0073 пс2. Лазер работает в режиме генерации растянутых импульсов (stretched pulses) в соответствии с близким к нулю значением ДГС. Выходная средняя мощность составляет 20, 7 мВт, длительность импульса 490 фс и ширина оптиче-
15 1570
данная схема лазера является оптимальной для исследования механизма работы упорядоченных ОУНТ; изолятор-поляризатор и контроллер поляризации, расположенные в схеме до пленки ОУНТ, гарантируют поляризацию излучения, падающего на ОУНТ, и возможность его вращения, чтобы ось поляризации была параллельна оси ориентации трубок, что приводит к максимальному взаимодействию между лазерным излучением и упорядоченными ОУНТ, работающими в качестве НП.
Рис. 4. Алгоритм моделирования лазера: PC контроллер поляризации. EDF эрбиевое активное волокно. SWCNT ОУНТ. ISO-PM изолятор-поляризатор. WDM мультиплексор с разделением по длине волны
Для исследования влияния ориентации упорядоченных ОУНТ на генерацию УКИ было проведено численное моделирование данного лазера с помощью обобщенного нелинейного уравнения Шредингера, которое было решено методом Фурье с расщеплением по физическим параметрам (ББГМ) [5]:
§А = -1 ^м + ^ « -
где А - амплитуда излучения, распространяющегося вдоль х, и время @2 _ дисперсия второго порядка, 7 - нелинейноеть, д(Х) - усиление активного волокна та- оптические потери в активных и пассивных волокнах. Воздействие естественного НП в виде ОУНТ было описано функцией пропускании во временной области, которая представлена следу-
ющим уравнением:
d%SWCNт(^)^eff(А)) _ _j i 1 ~ Aswcnt\ i^ff) di _ V т ) V pabs
где Aswcnt _ глубина модуляции, Раь8 - энергия насыщения, г - время релаксации возбуждения в ОУНТ. Eeff (в) _ Е0 • cos4(в) _ f |А|2 dt • cos4(в) - эффективная пропущенная энергия поля, в зависимости от угла ориентации пленки в относительно оптической осп, которая перпендикулярна оси распространения в резонаторе. Данное уравнение было решено методом Fourth-Order Runge-Kutta, описанном в [6]. Решением данной функции является фильтр Гаусса во временной области (Т), который взаимодействует с амплитудой излучения (А), основанной на решении нелинейного уравнения Шрёденгера в каждом обходе резонатора с помощью следующего уравнения:
,
А = Т(в) • А.
Таким образом, при распространении входного сигнала с амплитудой А в резонаторе лазера, генерация ультракоротких импульсов происходила после достаточно большого обхода (1000 в данной работе) на основе эффекта фильтрации ОУНТ и других эффектов, заключенных в уравнении НУШ (дисперсия, нелинейность, потери и усиление активной среды). Изменение в приводило к изменению фильтрации ОУНТ и генерации ультракоротких импульсов с различными характеристиками. Расчет проводился с в = 0, 30, 60 и 90 градусов соответственно. Генерируемое излучение выводилось из резонатора с помощью оптического ответвителя, описываемого с помощью следующего уравнения:
A-out — (1 Rcoupler & coupler
где Rcoupler _ 0, 5 - коэффициент ответвителя и acoupier — 0, 05 - внутренние потери в от-ветвителе. Выходную амплитуду излучения можно представить во временной и частотной области с помощью преобразования Фурье (рис. 5).
Рис. 5. Результаты численного моделирования оптических спектров (а) и распределения интенсивности по временной области (б) лазерного излучения при изменении угла ориентации нанотрубок
Численные результаты показывают возможность манипуляции характеристиками выходного излучения с помощью изменения угла ориентации ОУНТ. При изменении в в модели от 0 до 90 градусов длительность импульса увеличивалась с 500 фс до 589 фс, а ширина оптического спектра уменьшалась с 14, 8 нм до 9, 6 нм (рис. 5), что показывает возможность использования упорядоченных ОУНТ в качестве анизотропного поляризатора в лазерах ультракоротких импульсов.
Заключение
В данной работе был изготовлен насыщающийся поглотитель на основе упорядоченных ОУНТ. Уникальные свойства такой наноструктуры могут улучшить механизм пассивной синхронизации мод в лазерах ультракоротких импульсов за счет использования преимуществ насыщения и поляризационной зависимости подготовленной на ее основе тонкой пленки, в результате чего необходимость в использовании дополнительного поляризатора в лазерном резонаторе отпадает. Также с помощью данного насыщающегося поглотителя можно контролировать характеристики выходного излучения лазера (длительность импульса и ширину спектра излучения) с помощью изменения угла ориентации плёнки упорядоченных ОУНТ, расположенной внутри резонатора лазера.
Благодарности
Работа поддержана в рамках проекта РИФ 21-72-20050. Выравнивание нанотрубок путем контролируемой вакуумной фильтрации было осуществлено в Университете в г. Райе (США). Натсуми Коматсу и Юничиро Коно благодарят за поддержку Фонд Роберта Велша, в рамках гранта .\Ч'-151)0.
Список литературы
1. Arutyunyan N.R., К any gin М.А., Pozharov A.S., Kubarev V.V., Bulusheva L.G., Okotrub A. V., Obraztsova E.D. Light polarizer in visible and THz range based on single-wall carbon nanotubes embedded into poly (methyl methacrvlate) film // Laser Physics Letters. 2016. V. 13, N 6. P. 065901.
2. Xu X., Zhai J., Chen Y., Zhu H., Li L., Ruan S., Tang Z. Well-aligned single-walled carbon nanotubes for optical pulse generation and laser operation states manipulation // Carbon.
2015. V. 95. P. 84-90.
3. He X., Gao W., Xie L., Li В., Zhang Q., Lei S., Kono J. Wafer-scale monodomain films of spontaneously aligned single-walled carbon nanotubes // Nature nanotechnologv. 2016. V. 11, N 7. P. 633-638.
4. Arutyunyan N.R., Chernov A.I., Obraztsova E.D. Anisotropic macrostructures formed of single-walled carbon nanotubes // Phvsica status solidi (b). 2010. V. 247, I. 11-12. P. 28142817.
5. Lindberg R., Zeil P., Malmstrom M., Laurell F., Pasiskevicius V. Accurate modeling of high-repetition rate ultrashort pulse amplification in optical fibers // Scientific Reports.
2016. V. 6, N 1. P. 34742.
6. Hult J. A Fourth-Order Runge-Kutta in the Interaction Picture Method for Simulating Supercontinuum Generation in Optical Fibers // Journal of Lightwave Technology. 2008. V. 25, N 12. P. 3770-3775.
References
1. Arutyunyan N.R., Kanygin M.A., Pozharov A.S., Kubarev V.V., Bulusheva L.G., Okotrub A. V., Obraztsova E.D. Light polarizer in visible and THz range based on single-wall carbon nanotubes embedded into poly (methyl methacrvlate) film. Laser Physics Letters. 2016. V. 13, N 6. P. 065901.
2. Xu X., Zhai J., Chen Y., Zhu H., Li L., Ruan S., Tang Z. Well-aligned single-walled carbon nanotubes for optical pulse generation and laser operation states manipulation. Carbon. 2015. V. 95. P. 84-90.
3. He X., Gao W., Xie L., Li B., Zhang Q., Lei S., Kono J. Wafer-scale monodomain films of spontaneously aligned single-walled carbon nanotubes. Nature nanotechnologv. 2016. V. 11, N 7. P. 633-638.
4. Arutyunyan N.R., Chernov A.I., Obraztsova E.D. Anisotropic macrostructures formed of single-walled carbon nanotubes. Phvsica status solidi (b). 2010. V. 247, I. 11-12. P. 28142817.
5. Lindberg R., Zeil P., Malmstrom M., Laurell F., Pasiskevicius V. Accurate modeling of high-repetition rate ultrashort pulse amplification in optical fibers. Scientific Reports. 2016. V. 6, N 1. P. 34742.
6. Hult J. A Fourth-Order Runge-Kutta in the Interaction Picture Method for Simulating Supercontinuum Generation in Optical Fibers. Journal of Lightwave Technology. 2008. V. 25, N 12. P. 3770-3775.
Поступим в редакцию 30.11.2023
