CC BY
30УСИЛЕНИЕ, КОГЕРЕНТНОЕ СУММИРОВАНИЕ, СЖАТИЕ И УЛУЧШЕНИЕ КОНТРАСТА МОЩНЫХ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В МНОГОСЕРДЦЕВИННЫХ ВОЛОКОННЫХ
СВЕТОВОДАХ
Андрианов А.В.
Калинин Н.А.1,2, Егорова О.Н. 3, Липатов Д.С.4, Анашкина Е.А.1,
Балакин А.А.1, Скобелев С.А.1, Ким А.В.1, Литвак А.Г.1
1Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород 2Нижегородский государственный университет им. НИ. Лобачевского, г. Нижний Новгород 3Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, г. Москва 4Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород
*E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16125 Разработка активных и пассивных многосердцевинных волокон (МСВ) с взаимодействующими сердцевинами открывает новые возможности и перспективы для создания источников мощных ультракоротких импульсов.
Активные МСВ являются интересной альтернативой волокнам с большим размером моды для построения лазерных усилителей с высокой пиковой мощностью. Нами теоретически и в численном моделировании найдены несколько вариантов структур сердцевин МСВ и соответствующие конфигурации поля, которые являются устойчивыми в сильно нелинейном режиме. Например, в волокнах с четным числом одинаковых сердцевин, распложенных на кольце, а также в квадратной матрице с сердцевинами в узлах существуют супермоды, у которых интенсивность излучения во всех сердцевинах одинакова, а фаза поля между соседними сердцевинами отличается на п (моды типа "плюс-минус"). Данные супермоды устойчивы при высокой пиковой мощности, многократно превышающей самофокусировочный порог для волокна с одной сердцевиной [1]. Данный результат открывает возможность масштабирования пиковой мощности волоконных систем на основе МСВ.
В нашем эксперименте впервые была продемонстрирована возможность усиления моды типа " плюс-минус" в специально разработанном иттербиевом 6-сердцевинном световоде с двойной оболочкой. Для эффективного возбуждения требуемой супермоды была разработана система синтеза распределения поля на входе волокна на основе жидкокристаллического пространственного модулятора света, а также система диагностики, позволяющая измерять амплитудные и фазовые профили всех возбужденных супермод. Изображение поперечного сечения волокна, а также измеренные профили интенсивности и фазы моды "плюс-минус" на выходе волокна показаны на рис. 1. За счет специального алгоритма оптимизации входного поля было достигнуто содержание моды "плюс-минус" более 80% в выходном излучении. При накачке в первую оболочку многомодовым лазерным диодом была достигнута выходная мощность около 1 Вт при частоте повторения 50-пикосекундных импульсов 1 МГц. Доля моды "плюс-минус" на выходе и ее профиль не изменялись заметным образом при увеличении мощности, что говорит о ее устойчивости.
s 1 ф Щ
X
о
л"
¡0.5 m
CJ
н 1 0
Интенсивность (б)
•tf
3 -2 1 о
-1S
ч:
го
CL
I
-2 -3
Рис.1. Поперечное сечение экспериментального иттербиевого МСВ (а), измеренные интенсивность (б) и фаза (в) моды "плюс-минус "на выходе МСВ
Возможности дальнейшего масштабирования энергии и пиковой мощности были исследованы в полномасштабном трехмерном численном моделировании, показавшем, что наиболее эффективно мода "плюс-минус" может быть усилена в конусных многосердцевинных световодах, а также в световодах с квадратной матрицей сердцевин. В численном моделировании продемонстрировано достижение пиковой мощности порядка 20 МВт непосредственно на выходе 12-сердцевинного конусного усилителя. Также в численном моделировании были исследованы различные варианты
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
249
схемы когерентного суммирования, позволяющие преобразовать излучение с выхода МСВ в один пучок с эффективностью более 70%.
Пассивные МСВ с достаточно сильно связанными сердцевинами могут быть эффективно использованы для нелинейного управления параметрами ультракоротких импульсов, в частности для сжатия и увеличения их временного контраста. Нами экспериментально продемонстрирован эффект нелинейного подавления дискретной дифракции (эффект "запирания") мощного излучения, введенного в центральную сердцевину 7-сердцевинного кварцевого световода. Впервые систематически исследованы изменения временной формы фемтосекундного импульса в сердцевинах на выходе МСВ при изменении входной энергии импульса, запущенного в одну из сердцевин [2]. Впервые экспериментально продемонстрировано, что при распространении в коротком отрезке МСВ может быть существенно улучшен контраст мощного фемтосекундного импульса за счет перетекания излучения низкоинтенсивного пьедестала импульса из центральной в боковые сердцевины при сохранении высокоинтенсивной центральной части импульса в центральной сердцевине, т.е. продемонстрирована работа МСВ в качестве насыщающегося поглотителя. Показано, что при распространении мощного ультракороткого импульса в семисердцевинном световоде в режиме " запирания" излучения в центральной сердцевине происходит сильное уширение спектра за счет фазовой самомодуляции. Близкая к квадратичной фаза импульса на выходе МСВ может быть скомпенсирована при линейном распространении в среде с аномальной дисперсией и импульс может быть сжат с 370 фс на входе в МСВ до 53 фс при энергии на выходе 140 нДж. Контраст сжатого импульса существенно (около 100 раз) превосходит контраст импульса на входе в МСВ за счет эффекта "очистки" импульса от пьедестала в МСВ так и за счет увеличения пиковой мощности при компрессии (рис. 2).
Лазерная система 1.56 мкм, 0.4 мкДж, 370 фс
-И
МСВ
ИК камера
Входной импульс
Анализатор J
спектра
FROG ;текл6
i ¿У
-2000
2000
Время, фс
Рис. 2. Схема эксперимента по исследованию нелинейных преобразований импульса в МСВ (а), временная структура импульса на выходе системы в логарифмическом (б) и линейном масштабе (в)
Далее теоретически были найдены устойчивые стационарные и осциллирующие во времени пространственно-временные распределения поля (пространственно-временные солитоны или оптические пули) в МСВ в области аномальной дисперсии групповых скоростей. В МСВ с сердцевинами, расположенными по кольцу и центральной сердцевиной найдены режимы, при которых возможно когерентное суммирование излучения из всех сердцевин в центральную сердцевину, сопровождающееся компрессией импульса и возбуждением структур солитонного типа. В численном моделировании продемонстрирована возможность когерентного суммирования и сжатия импульса в 30 раз до минимальной длительности 15 фс с эффективностью около 50%.
Разработка легированной иттербием заготовки световода проводилась при поддержке гранта РНФ № 17-13-01343. Исследование распространения излучения в многосердцевинных волокнах поддержано грантом РНФ № 16-12-10472. Исследование когерентного суммирования поддержано Министерством науки и высшего образования РФ (Договор № 14.W03.31.0032).
Литература
1. Balakin A., et al, Phys. Rev. A, 98, 043857 (2018)
2. Andrianov A., et al, Opt. Lett. 44, 303-306 (2019)
250
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
