CC BY
34РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ С ВЫСОКОЙ ПИКОВОЙ МОЩНОСТЬЮ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1.9 МКМ В СТАНДАРТНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
СВЕТОВОДАХ
1* 1 111 1 Донодин А.И. , Воропаев В.С. , Воронец АД. ' Батов Д.Т. , Власов Д.С. , Лазарев В.А. '
Тарабрин М.К.12, 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 * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16102
В настоящее время волоконные фемтосекундные лазеры являются чрезвычайно перспективными источниками для широкого спектра применений, таких как спектроскопия в среднем ИК-диапазоне [1], генерация терагерцового излучения [2], хирургия [3], частотная метрология [4] -благодаря их надёжности, компактности и экономичности. В последнее время активно исследуются фемтосекундные лазеры с длиной волны излучения около 1,9 мкм [5-13]. Кроме того, большое число работ посвящено получению импульсов высокой пиковой мощности в схемах «задающий генератор -усилитель мощности» [12, 13]. Отдельный интерес представляют полностью волоконные лазерные источники, использующие в своем составе, в том числе, стандартные телекоммуникационные световоды [5 - 7, 9].
Одной из наиболее распространенных форм импульсов на длине волны 1,9 мкм, получаемых в лазерах с использованием стандартного телекоммуникационного световода, является солитон, так как дисперсия групповых скоростей световода в этом диапазоне спектра является отрицательной. Хорошо известно, что фундаментальный солитон сохраняет свою форму при распространении в световоде, а солитоны высшего порядка периодически восстанавливают свою временную и спектральную форму через период солитона. В ряде исследований, посвященных изучению распространения импульсов в волоконных фемтосекундных тулиевых лазерах с применением стандартных телекоммуникационных световодов в составе резонатора, предполагалось существование солитонов высшего порядка [2, 3, 5-7]. В этих работах дисперсия высшего порядка и нелинейные эффекты приводят к развалу солитонов высших порядков, которые не способны воспроизводить свою форму при распространении в световоде. Такие эффекты, как вынужденное комбинационное рассеяние, самообострение возникают при распространении импульсов с высокой мощностью и могут привести не только к уширению спектра, но и к солитонному распаду [14, 15], поэтому генерация солитонов высших порядков с высокой пиковой мощностью в генераторах с синхронизацией мод является сложной задачей, поскольку распад импульса обычно приводит к образованию нестабильных импульсов, таких как шумоподобные импульсы [16] и солитонный дождь [17].
Солитоны высшего порядка, образующиеся в резонаторе лазера, не могут сохранять свои периодические спектральные и временные формы при распространении во внешних по отношению к резонатору стандартных телекоммуникационных световодах, через которые осуществляется вывод излучения, и начинают распадаться. Именно поэтому важно учитывать динамику импульса во внешнем световоде при проведении измерений параметров импульса, особенно автокорреляции и спектра. Динамика ультракоротких импульсов вблизи длины волны 800 нм [18] и 1550 нм [19] достаточно хорошо изучена, однако на длине волны 1,9 мкм дисперсия и нелинейность световода отличается, что приводит к другому характеру распространения импульсов.
В настоящей работе мы изучаем распространение солитонов высших порядков, предполагая наличие эффектов более высокого порядка и их отсутствия вблизи длины волны 1,9 мкм в световоде SMF-28. Для достижения этой цели находилось численное решение обобщенного нелинейного уравнения Шредингера симметричным Фурье-методом с расщеплением по физическим факторам. В предыдущих работах исследовалась генерация импульсов с параметрами, соответствующими солитону 4-го порядка [5, 9], поэтому мы рассматриваем распространение солитонов 4-го порядка с двумя типовыми длительностями 1 пс и 100 фс, поскольку такие импульсы имеют ключевые различия в распространении [18].
Результаты численного моделирования распространения солитонов 4-ого порядка длительностью 1 пс и 100 фс с пиковыми мощностями 6 кВт и 605 кВт, соответственно, с учётом
204 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
нелинейности высших порядков (эффекты вынужденного комбинационного рассеяния света и самообострения импульса) и дисперсии высших порядков (до 5 порядка включительно) приведены на рисунке 1. Вначале импульс сжимается, а потом распадается на 4 фундаментальных солитона с различными длительностями, причем длина распада в случае импульса длительностью 1 пс составляет около 1,2 м, а в случае импульса длительностью 100 фс - около 1 см.
Интенсивность, о.е.
Интенсивность, о.е.
65
J 1900
Длина волны, нм
2000
-5 0 5 10 15 Задержка, пс
а)
2000 3000
Длина волны, нм
б)
0 2 4 Ь К Задержка, не
Рис.1. Эволюция временных и спектральных характеристик солитона 4-ого порядка длительностью 1 пс (а) и 100 фс (б) в стандартном телекоммуникационном световоде SMF-28
В настоящей работе показано, что в стандартном телекоммуникационном световоде марки SMF-28 импульсы на длине волны 1900 нм с пиковой мощностью характерной для солитонов высших порядков через определенную длину распадаются на количество фундаментальных солитонов соответствующее порядку. При исследовании высокомощных импульсов, распространяющихся в световоде SMF-28, необходимо учитывать динамику распространения таких импульсов, автокорреляцию и спектр излучения необходимо регистрировать при различных длинах световода, при этом наибольшая мощность у импульса будет при длине световода меньшей длины распада импульса. Если же спектр и автокорреляция не изменяется при различных длинах, то это может говорить о генерации лазера в многоимпульсном режиме, либо в режиме генерации шумоподобных импульсов, что может быть подтверждено при использовании быстродействующего приемника и осциллографа.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-3800927.
Литература
1. Aalto A., et al, Opt. Lett. 23, 25225-25234 (2015)
2. Zaytsev K, et al, Appl. Ph. Lett. 106, 053702 (2015)
3. Amini-Nik S, et al, PLOS ONE: 5, 1-6 (2010)
4. Lazarev V., IEEE Trans. on Ultr., Ferr, andFreq. Contr. 63, 1028-1033 (2016)
5. Chernysheva M. A., et al, IEEE J. ofSel. Top. in Quant. Electr. 20, 425-432 (2014)
6. Gao C, et al, J. Lightw. Technol. 35, 2988-2993 (2017)
7. Voropaev V., ASSL AM6A.19 (2018)
8. Voropaev V., Front. in Opt. JTu3A.15 (2017)
9. Voropaev V, ICLO18-18 (2018)
10. Kieu K., et al., Photonics Techn. Lett. 21, 128-130 (2009)
11. Chamorovskiy A. Y, et al, Laser Ph. Lett. 9, 602-606 (2012)
12. Stutzki F, et al, Opt. Lett. 39, 4671-4674 (2014)
13. Stutzki F., et al, Opt. Lett. 40, 9-12 (2015)
14. Agrawal G. P., et al, Nonlin. Sc. at the Dawn ofthe 21st Cent, 195-211 (2000)
15. Yin L., et al., Opt. Lett. 32, 391-393 (2007)
16. Wang Q., et al., Appl. Ph. Lett. 102, 131117(2013)
17. Xu Y, et al, Laser Ph, Lett. 12, 045108 (2015)
18. Dudley J. M., et al, Rev. Mod. Phys. 78, 1135-1184 (2006)
19. Du Y, et al, Opt. Express 26, 11685-11693 (2018)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
205
