CC BY
30НОВЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ
Иваненко А.В.1, Нюшков Б.Н.1'2, Смирнов С.В.1, Кохановский А.Ю.1, Кобцев С.М. , Серебренников К.В. , Луценко Д.Б. , Гладуш Ю.Г. , Мкртчян А.А.
1 Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск 3 Сколковский институт науки и технологий, г. Москва * E-mail: ivanenko.alekseY@gmail.com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16115
Волоконные лазеры имеют целый ряд важных достоинств, включая высокий к.п.д., нетребовательность к настройке и юстировке, относительно низкую чувствительность к параметрам окружающей среды, высокое качество выходного пучка и т.п. Вместе с тем, большинство распространённых схем волоконных лазеров обладают ограниченными возможностями по управлению параметрами генерируемого импульсного излучения в рамках одной конфигурации резонатора. Исследования по разработке новых или усовершенствованию существующих конфигураций резонаторов лазеров и насыщающихся поглотителей (НП) для расширения параметров импульсной генерации остаются актуальными и на сегодняшний день [1-4]. Разработка таких волоконных лазеров, генерирующих оптические импульсы c заданными параметрами (длиной волны и шириной спектра, длительностью, чирпом, энергией и т.д.) и позволяющих управлять формой и структурой этих импульсов (генерация одиночных импульсов произвольной формы или
импульсных кластеров с разной степенью внутреннего заполнения суб-импульсами) открывает новые перспективы в решении широкого круга задач для научных и практических приложений.
Данная работа посвящена исследованию схем резонаторов с управляемыми импульсными режимами генерации. В работе рассматриваются две схемы реализации управляемых поглотителей и схема с переключением усиления: 1) НП на основе нелинейного петлевого зеркала (НПЗ, рис. 1) с управлением за счёт контроля разности фаз двумя усилителями в петле, 2) НП на основе безматричных углеродных нанотрубок с управлением за счёт прикладываемого светового и электрического полей и 3) модуляция усиления в гибридном волоконно-полупроводниковом лазере на основе полупроводникового усилителя в качестве активной среды.
А_ fi if"
ЛАА
Pump, W
Рис. 1. а) НП на основе НПЗ с двумя усилителями: а - коэффициент деления ответлителя, 11,2,3,4,5 -длины активных и пассивных участков лазера, g1,2 - коэффициенты усиления активного Yb волокна и б) коэффициент пропускания НПЗ и изменение автокорреляционной функции импульсов на выходе НПЗ при разных мощностях накачки усилителя НПЗ (на вставках в рисунок)
В волоконном лазере с нелинейным петлевым зеркалом за счёт управления усилением двух активных волокно в нелинейной петле возможна реализация трёх различных импульсных режимов, отличающихся по ширине оптического спектра, форме и длительности импульсов. Использование двух накачек в лазере также обеспечивает высокую среднюю мощность выходного импульсного излучения (более 0.5 Вт) при сохранении малой длительности импульсов (длительность АКФ порядка 30 пс).
В схеме лазера с НП на основе углеродных безматричных нанотрубок (УБН), нанесённых на сполированную плоскость волокна (D-shape волокно) и управляемых за счет просветления под воздействием оптического излучения и прикладываемого электрического полей (рис. 2), осуществлялась генерация в одном из трёх существенно разных режимов генерации: синхронизация
230
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
мод, гармоническая синхронизация мод и непрерывная генерация. Для переключения между режимами использовалось электронное управление НП. Вышеуказанные схемы лазеров позволяют получать импульсы в пс диапазоне. Однако не позволяют напрямую управлять формой импульсов.
-е-
a)
IL
PM-SPF
б)
U gate
1 1.5
Peak power (kW)
Рис. 2. (а) Образец УБН (SWCNT) с электродами и (б) коэффициент пропускания образца в зависимости от пиковой мощности излучения генерации при разных мощностях управляющего излучения (0 мВт, 60мВт и 93 мВт): кривые 1-3 - без управляющего напряжения, кривые 4-6 - при подаче напряжения 1В
В случае использования полупроводникового усилителя (рис. 3) с волоконными входом и выходом в качестве активной среды и в качестве модулятора для получения импульсной генерации продемонстрирована возможность программно-управляемой генерации сложно-произвольных оптических волновых форм в гибридном волоконно-полупроводниковом лазере с синхронной накачкой. В режиме синхронизации мод временной профиль генерируемых импульсов может повторять временной профиль электрических импульсов накачки SOA (рис. 4). Управление временным профилем электрических импульсов накачки позволяет формировать стабильный импульсный паттерн с заданным профилем интенсивности, воспроизводимый на каждом обходе резонатора.
Arbitary Waveform Generator
Т
СоггтЫпег
¡л
Р^Ки? родгп ] и у I
Рис. 3. Схема волоконно -полупроводникового лазера : БОА -полупроводниковый оптический усилитель, МБГ -волокно с нормальной дисперсией, №ББГ- волокно с ненулевым смещением дисперсии, СШ - волоконный циркулятор, ¥ЕС - волоконная Брэгговская решётка, АШС - генератор сигналов произвольной формы
1,6
1,4
—> ш 1,2
а>~ 1
3 0,8
£ 0,6
< 0,4
0,2
0
U, у
и ;У
10 20
30 40 50 Time, us
70
Рис. 4. Осциллограммы Зх-элементных импульсных паттернов: вверху (зелёный цвет) - электрические импульсы накачки, внизу (красный цвет) - генерируемые лазерные импульсы
Все указанные подходы по созданию волоконных импульсных источников оптического излучения с управляемыми параметрами импульсной генерации открывают перспективы создания нового поколения источников лазерного излучения с задаваемыми и управляемыми режимами импульсной генерации и параметрами форм импульсов без изменения конфигурации лазерного резонатора.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ № 18-32-20021 и грантов МОН 3.5572.2017/БЧ и 3.889.2017/ПЧ.
Литература
1. S. Kivistö, R. Herda, and O. G. Okhotnikov, "Electronically Tunable Yb-Doped Mode-Locked Fiber Laser, " 20, 2007-2009 (2008)
2.. S. L. Brunton, X. Fu, and J. N Kutz, "Self-Tuning Fiber Lasers," 20, (2014)
3. B. N. Nyushkov, S. M. Kobtsev, A. K. Komarov, K -
J. Opt. Soc. Am. B 35, 2582-2587(2018)
4. Y. S. Fedotov, A. V. Ivanenko, S. M. Kobtsev, and S. V. Smirnov, "High average power mode-locked figure-eight Yb fibre master oscillator," Opt. Express 22, 31379 (2014)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
231
