CC BY
4ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ
ПОЛНОСТЬЮ ВОЛОКОННЫЙ ВКР-УСИЛИТЕЛЬ СИЛЬНОЧИРПОВАННЫХ ДИССИПАТИВНЫХ СОЛИТОНОВ
ВБЛИЗИ 1,3 МКМ
1* 12 Евменова Е.А. , Харенко Д.С. '
1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск 2 Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск * E-mail: evmenovaea@iae.nsk.su DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-249-250
Волоконных лазеры часто не уступают по излучательным характеристикам другим типам лазеров, а их легкая интеграция с различными системами, отсутствие юстировок, долговременная стабильность, компактность, недорогая сборка и эксплуатация делают их первостепенными кандидатами для применения в развивающихся технологиях, связанных с жизнью и здоровьем. Так, лазеры ультракоротких импульсов нашли применение в многофотонной микроскопии (МФМ) живых объектов, где необходимы большие пиковые мощности и малые времена импульсов [1]. Обычно здесь используется возбуждающее излучение в области 1 мкм, так как его легче получить. Сдвиг длины волны в область "окон прозрачности" живых тканей вблизи 1,3 мкм и 1,7 мкм позволит увеличить глубину проникновения излучения и строить изображение глубинных слоев образца [2].
Существуют несколько способов генерации сверхкоротких импульсов вблизи 1,3 мкм. Во-первых, это непосредственная генерация с помощью волокон, легированных активными ионами висмута и празеодима, но энергия импульса в таких схемах пока небольшая [3]. Во-вторых, это параметрическая генерация чирпованных импульсов в специальных световодах. В схеме на основе объемных оптических элементов с мощной накачкой были получены импульсы длительностью около 600 фс с энергией 180 нДж [4]. В полностью волоконной схеме генерировались импульсы с меньшей энергией - 20 нДж при 300 фс, которой хватало для применения в безметочной МФМ [5]. В-третьих, это генерация ультракоротких импульсов при помощи вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) света во внешнем резонаторе с фосфосиликатным волокном. В такой схеме при использовании спектрально-ограниченных импульсов накачки генерировались импульсы с длиной волны 1,24 мкм, длительностью ~ 300 фс и энергией 9 нДж [6].
Мы предлагаем перейти в область 1,3 мкм путем генерации сильночирпованных диссипативных ВКР-солитонов [7]. В этом подходе диссипативные солитоны (ДС) от иттербиевого волоконного лазера (ИВЛ) вблизи 1 мкм преобразуются с помощью ВКР процесса во внешнем резонаторе с фосфосиликатным волокном в сильночирпованные диссипативные ВКР-солитоны с несущей длиной волны вблизи 1,3 мкм и возможностью сжатия до сотен фемтосекунд [8]. Преимуществом данной схемы является пассивная синхронизация мод за счет процесса нелинейного вращения поляризации света в волокне, что позволяет упростить и удешевить схему лазера для его массового практического применения. Однако энергия импульсов в такой схеме не превышала 2нДж как для длины волны 1,245 мкм [8], так и для 1,275 мкм [9] даже после дополнительной оптимизации установки. Таким образом, необходимо дальнейшее увеличение энергии импульсов для их применения в МФМ глубоких тканей. Известен метод усиления сильночирпованных импульсов за счет параметрического процесса, но он требует согласования фаз волн в специальных волокнах. Нами выбран более простой способ усиления за счет процесса ВКР в стандартных волокнах. Интересно, что ВКР рассматривается скорее как помеха при усилении чирпованных импульсов в активных световодах, чем полезный эффект. Первое и практически единственное использование ВКР процесса для усиления чирпованных импульсов в волоконной схеме показано в работе [10], где на вход усилителя подавались спектрально-ограниченные импульсы, которые чирпировались в процессе усиления.
В докладе мы представляем простой и полностью волоконный усилитель сильночирпованных ДС в области 1,3 мкм на основе ВКР-преобразования в стандартном пассивном волокне с накачкой непрерывным излучением. В качестве сигнального излучения использовались сильночирпованные импульсы с центральной длиной волны 1275 нм, частотой повторения 15,5 МГц, длительностью 30 пс и энергией до 1,3 нДж. Схема лазера показана в работе [9]. В качестве накачки использовалось линейно-поляризованное непрерывное излучение на длине волны 1205 нм с мощностью до 5 Вт от ВКР-лазера на базе фосфосиликатного волокна. Сигнал и накачка заводились в стандартное волокно SM98-PS-U25D-H длиной 290 м, 790 м, 850 м и 1140 м через селективные волоконные разветвители. Были исследованы две схемы распространения накачки и сигнальной волны - в попутном и встречном направлении.
ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ
Параметр ВКР-усиления Ga исследовался в зависимости от длины пассивного волокна, мощности непрерывной накачки и средней мощности сигнала на входе. Он повторял экспоненциальную зависимость иа = ехр(дгРо^еГГ), где gг - коэффициент ВКР-усиления, P0 - входная мощность накачки, Leff - эффективная длина световода, Л^ - эффективная площадь моды, однако его величина была меньше, чем в случае непрерывного сигнала. При этом расхождение увеличивалось с длиной пассивного волокна. Также наблюдалось небольшое насыщение параметра усиления с увеличением средней мощности сигнала, что согласуется с теорией, использующей квази-непрерывные волны. Обнаружено, что в схеме со встречной накачкой спектр сигнала усиливается однородно, а в схеме с попутной накачкой усиливается только его длинноволновый край. При этом параметр ВКР-усиления во второй схеме был в 5 раз меньше при мощности накачки 2,2 Вт и длине волокна 1140 м. Это можно объяснить тем, что при попутной накачке сигнальные импульсы движутся быстрее с параметром расхождения 1 пс/м, поэтому их передний фронт (для диссипативного солитона соответствующий длинноволновой области) усиливается неистощенной волной накачки, а задний фронт - истощенной волной накачки. Из-за искажения усиленного сигнала схема с попутной накачкой не подходит для усиления. На рис. 1а показаны средние мощности усиленных импульсов при встречной накачке для пассивного световода длиной 850 м и 1140 м. Видно, что максимальные мощности ограничены уровнем 200 мВт. При дальнейшем увеличении мощности накачки начинается перекачка энергии импульса в следующую стоксовую компоненту вблизи 1340 нм, что искажает оптический спектр в длинноволновой области, как показано на рис. 16.
Рис. 1. а) Средняя мощность усиленных диссипативных ВКР-солитонов в зависимости от мощности входной накачки для волокна длиной 850 м и 1140 м при средней мощности сигнала на входе 15,3 мВт, 17,3 мВт и 17,6 мВт. б) Выходные спектры импульсов в зависимости от мощности входной накачки для волокна длиной 850 м и средней мощности сигнала 17,6 мВт
Таким образом, в работе впервые исследовано усиление сильночирпованных импульсов вблизи 1,3 мкм с помощью ВКР-процесса в стандартном волокне с непрерывным излучением накачки. При встречной накачке наблюдалось спектрально однородное усиление сигнала на 10 дБ. Энергия ультракоротких импульсов с центральной длиной волны 1275 нм увеличивалась до 13 нДж, что приемлемо для применения в многофотонной микроскопии глубинных тканей. В докладе также будут представлены результаты по сжатию усиленных ДС до суб-пикосекундной длительности.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ и Правительства Новосибирской области в рамках научного проекта № 22-22-20111.
Литература
1. Lefort C. J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 423001 (2017)
2. Xu C, et. al. Nature Photon. 7, 875-882 (2013)
3. Khegai A. M., et. al. Quantum Electron.46, 1077-1081 (2016)
4. Fu W., et. al. Opt. Letters 43, 5331-5334 (2018)
5. Qin Y., et. al. Opt. Letters 44, 3422-3425 (2019)
6. Batjargal O., et. al. IEEE Photonics Technology Letters 30, 1846-1849 (2018)
7. Babin S. A., et. al. Nat Commun. 5, 4653 (2014)
8. Kharenko D. S., et. al. Opt. Express 26, 15084-15089 (2018)
9. Kharenko D. S., et. al. Quantum Electron.49, 657-660 (2019)
10. Matos C. J. S., et. al Opt. Express 23, 2828-2834 (2005)
