CC BY
11DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-122-123
УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1,9 МКМ В ТУЛИЕВОМ СВЕТОВОДЕ С НОРМАЛЬНОЙ ДИСПЕРСИЕЙ
Воропаев В.С.1*, Батов Д.Т.1, Воронец А.И.1, Власов Д.С.1, Джафари Р.2, Донодин А.И.3,
Тарабрин М.К.1,2, Требино Р.4, Лазарев В.А.1
'НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им. Н.Э.Баумана, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, г. Москва, 105005 2Технологический институт Джорджии, Атланта, Джорджия, США, GA 30332 3Институт Фотонных Технологий университета Астон, Бирмингем, B4 7ET, Великобритания 4Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, 119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д. 53
E-mail: vasilii. s. voropaev@gmail. com
Тулиевые лазеры ультракоротких импульсов на длине волны 1,9 мкм являются перспективными источниками для генерации когерентного суперконтинуума [1] в ближнем и среднем ИК-диапазонах, который может применяться в спектроскопии [2], детектировании веществ, анализе дыхания [3]. Для генерации когерентного широкополосного суперконтинуума с помощью тулиевых лазеров в основном используют импульсы с длительностью менее 150 фс и пиковой мощностью более 10 кВт [4]. Хорошо известно, что усиление ультракоротких импульсов в волоконных световодах с нормальной дисперсией групповых скоростей (ДГС) приводит к значительному спектральному и временному уширению импульсов [5], а при дальнейшей компрессии усиленных импульсов их длительность значительно уменьшается, а пиковая мощность увеличивается по сравнению с импульсами, вошедшими в усилитель. Однако очень мало волоконных лазерных систем на основе световодов с нормальной дисперсией, легированных ионами тулия, было экспериментально реализовано [6,7]. Причём эти установки генерируют импульсы с длительностью более 600 фс, что менее перспективно для генерации когерентного суперконтинуума.
В этой работе мы представляем волоконный усилитель мощности задающего генератора ультракоротких импульсов (рис. 1), основанный на использовании активного германосиликатного тулиевого световода (0,9 мас.% Tm3+, 36 мас.% GeO2, An«0,045, диаметр сердцевины dc= 2,2 мкм, длина 2,123 м) с ДГС 130,55 пс2/км на длине волны 1,9 мкм.
SMF-2& SMF-28 SMF-2S
0.64 м Н »литой 11.34 м FC/APC 0.40 и Ответьитсль 5%
WDM 150П/2ГЮ0
Рис. 1 Схема разработанного усилителя мощности задающего генератора. Hi-Ge - световод с высоким содержанием германия; КП - контроллер поляризации; WDM - спектральный мультиплексор;
Tm3+ - активный тулиевый германосиликатный световод с нормальной дисперсией;
LMA - кварцевый световод с большой площадью моды
В качестве задающего генератора используется кольцевой волоконный тулиевый лазер с синхронизацией мод, генерирующий растянутые импульсы со средней мощностью 6 мВт, частотой повторения импульсов 23,8 МГц, центральной длиной волны 1899,5 нм, шириной спектра на полувысоте 21,66 нм (рис.2, а), длительностью импульса на полувысоте 326,8 фс (рис.2, б) [8]. Изолятор используется для предотвращения попадания отражённого излучения обратно в лазер, ответвитель необходим для контроля режима синхронизации мод с помощью осциллографа. Далее импульс уширяется в германосиликатном световоде (Hi-Ge, An«0,0324, 30 мас.% GeO2, диаметр
122 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]
сердцевины dc= 2,2 мкм, длина 3,084 м) с ДГС р2 = 108 пс /км на длине волны 1900 нм. После чего импульс попадает в активный германосиликатный световод, легированный ионами тулия, при распространении в котором происходит значительное спектральное и временное уширение импульса. Накачка активного световода осуществляется на длине волны 1,55 мкм с максимальной мощностью 6 Вт, с помощью эрбий-иттербиевого усилителя мощности лазерного диода. Для сжатия импульсов используется световод с большой площадью моды (LMA, An«0,0022, диаметр сердцевины dc = 20 мкм, длина 2,366 м), т.к. по сравнению со стандартным одномодовым световодом (SMF-28) позволяет достичь большей пиковой мощности, световод имеет конфигурацию «панда», однако не работает в режиме сохранения поляризации. Контроллер поляризации расположен перед активным световодом из-за того, что динамика распространения импульсов в усилителе и компрессоре сильно зависит от состояния поляризации.
При мощности накачки 4 Вт и настройке контроллера поляризации удалось достичь режима, при котором средняя мощность составляет 600 мВт, длительность импульсов - 71 фс, ширина спектра на полувысоте - 83,4 нм, амплитудно-фазовые характеристики измерялись с помощью метода FROG для горизонтальной поляризации излучения (рис.2, в), мощность которой составляет 348 мВт. На рисунках 2,а,б представлены сравнения спектров излучения и автокорреляций импульсов на выходе задающего генератора и на выходе LMA световода. Синяя кривая (рис.2,б) показывает автокорреляцию для импульса при той же мощности на выходе LMA световода, но при другой настройке контроллера поляризации. На рисунке 2,в показано распределение интенсивности и фазы во времени для импульса с длительностью 71 фс, восстановленных с помощью алгоритма RANA по измеренной спектрограмме.
\к.¿ = 21т66 iiM4
"Т~85 1,9 1,95 2 2,05 Длина волны, мкм а)
0.8 0.6 0.4 0.2 0
ДТ-, - 65.7 ■ J 1 Лт., = .12*-
1.414-93 фс f |\ '1.414" 465 фс
Дг„< = ос //
/ yj1
-2
-I 0 1
Залержка, ис и)
-10 12
Задержка, не б)
Рис. 2 Спектры (а), автокорреляционные функции интенсивности импульсов (б) и восстановленная временная форма импульса (в, чёрная кривая) и восстановленная временная фаза импульса (в, красная кривые); Черные кривые на рисунках а и б соответствуют задающему генератору; красные и синие кривые - выходу ЬМЛ световода. Синяя кривая на графике б - автокорреляционная функция интенсивности широкого импульса на выходе МОРЛ (достигается настройкой контроллера поляризации (КП))
В результате численного моделирования показано, что использование германосиликатного световода для уширения импульса перед попаданием в усилитель позволяет увеличить пиковую мощность импульса в точке компрессии. Для горизонтальной поляризации импульса с длительностью 71 фс пиковая мощность может быть оценена как 127 кВт. Вертикальная поляризация имеет другое распределение поля и в настоящее время измеряется, что важно для оценки пиковой мощности неполяризованного излучения. Предполагается, что реализация предложенного подхода усиления и компрессии ультракоротких импульсов с использованием волокон сохраняющих поляризацию позволит значительно повысить устойчивость данной системы к внешним воздействиям и увеличить пиковую мощность импульсов.
Авторы благодарят М.Е. Лихачева и М.А. Мелькумова из Научного центра волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН за предоставление световодов для исследований. А.И. Воронец благодарит за помощь, оказанную фондом поддержки молодых ученых имени Геннадия Комиссарова.
Литература
Rudy C. W, DigonnetM.J.F., Byer R.L., Opt. Fiber Technol. 20, 642-649 (2014)
Saini T.S. et al., Sci. Rep 10, 1-9 (2020)
Wang C, Sahay P, Sensors 9, 8230-8262 (2009)
Genty G., Coen S., Dudley J.M., JOSA B 24, 1771-1785 (2007)
Fermann M.E. et al., Phys. Rev. Lett. 84, 6010-6013 (2000)
Chen Y. et al., IEEE Photonics J. 11, 1-12 (2019)
Klimentov D., Dvoyrin V.V., Sorokina I.T., IEEE Photon. Technol. Lett. 27, 1609-1612 (2015) Donodin A. et al., Sci. Rep 10, 1-9 (2020)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]
123
