Способ управления количеством связанных солитонов в фемтосекундном волоконном лазере Российский патент 2022 года по МПК G02F1/65 

Область техники

Способ относится к методам реализации новых режимов работы лазеров. Лазеры подобного типа обладают высокой энергией лазерного импульса, что в совокупности с длиной волны излучения является необходимым во многих приложениях лазерной техники, например, таких как прецизионная спектроскопия, передача данных и в обработке материалов.

Уровень техники

Режим генерации связанных солитонов может быть использован в различных областях фотоники, таких как телекоммуникации и связь, в области метрологии частоты и времени, в обработке материалов и т.д. Например, исследование связанных импульсов привлекательно для увеличения пропускной способности линии связи в телекоммуникациях за счет увеличения алфавита кодирования сигнала. Идея кодирования с помощью связанных солитонов предполагает уход от двоичной системы к произвольному числу символов 2N, где N - число солитонов в связанном состоянии. Однако необходима разработка способов управления параметрами связанных импульсов (кодирования сигнала) и разработка способов приема сигнала (декодирование сигнала). Кроме того, генерация когерентно связанных групп солитонов может значительно увеличить эффективность усиления ультракоротких импульсов, что открывает новые горизонты в холодной микрообработке новых материалов.

Для реализации разработанного способа управления количеством связанных солитонов необходимо использовать волоконный фемтосекундный лазер, работающий в режиме генерации групп связанных солитонов.

Раскрытие изобретения

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в реализации в волоконного лазера с контролируемым количеством связанных солитонов (в диапазоне от 7 до 17 импульсов) с постоянным фазовым соотношением между импульсами.

Технический результат достигается за счет изменения мощности накачки волоконного фемтосекундного лазера, работающего режиме генерации связанных солитонов, с использованием высоконелинейного германосиликатного волокна в составе резонатора, с подключенными к нему измерительными приборами, такими как: автокоррелятор и анализатор оптического спектра.

Управление количеством связанных солитонов в фемтосекундном волоконном лазере, осуществляется в соответствии с формулой (1.1), посредством изменения мощности накачки (см. фиг. 1). В качестве фемтосекундного лазера необходимо использовать волоконный кольцевой фемтосекундный лазер, работающий в режиме генерации связанных солитонов. В состав волоконного кольцевого лазера должны входить активное и пассивное высоконелинейное волокна с положительной дисперсией групповых скоростей (ДГС) и пассивное волокно с отрицательной ДГС. Выбор режима генерации групп связанных солитонов связан с тем, что данный режим изначально обладает определенным количеством импульсов генерируемых с постоянным фазовым соотношением и хорошей устойчивостью генерации. Для управления количеством связанных солитонов в фемтосекундном волоконном лазере необходимо получить устойчивый режим генерации связанных импульсов. После того как устойчивая генерация была получена, в зависимости от необходимости увеличить или уменьшить число генерируемых импульсов, постепенно увеличивается или уменьшается мощность лазера накачки, с определенным шагом при этом непрерывно наблюдаем за автокорреляцией импульсов волоконного лазера и выходным оптическим спектром фемтосекундного лазера при каждом изменении мощности лазера накачки. Изменение мощности лазера накачки производится до того момента, когда уже нет возможности получить устойчивую генерацию. На базе полученной автокорреляции импульсов и выходном оптическом спектре генерации определяется количество импульсов и фазовое соотношение между ними.

Согласно исследованиям, полученным работе D. Y. Tang, L. М. Zhao, В. Zhao, and A. Q. Liu, "Mechanism of multisoliton formation and soliton energy quantizationin in passively mode-locked fiber lasers," Phys. Rev. A 72(4), 043816 (2005), наибольшая энергия солитона в связанном состоянии с длительностью τр ограничена фундаментальной энергией солитона Es ~ | β2 | / (γ • τр), где γ - это суммарный нелинейный коэффициент, β2 -суммарная дисперсия второго порядка в резонаторе. Квантование энергии солитона ведет к разделению общей энергии импульса в резонаторе при мощности превышающий фундаментальный порог и формированию связанного состояния УКИ из фундаментальных солитонов. Таким образом, наиболее простой способ контролировать количество связанных УКИ - это изменение мощности накачки волоконного резонатора. Важной особенностью волоконного фемтосекундного лазера, участвующего в генерации групп связанных солитонов, является значение общей ДГС резонатора. Экспериментально было установлено, что стабильные связанные импульсы генерируются при слегка отрицательной, близкой к нулю, внутрирезонаторной ДГС.

Наиболее близким аналогом предлагаемого метода можно признать способ управления количеством импульсов в волоконном лазере с синхронизацией мод излучения, описанный в работе: D.A. Korobko, R. Gumenyuk, I.O. Zolotovskii, O.G. Okhotnikov, "Multisoliton complexes in fiber lasers." Optical Fiber Technology 20 (2014): 593-609. В схеме прототипа волоконный лазер с синхронизацией мод излучения состоит из источника накачки, волоконного линейного резонатора, включающего волоконный модуль спектрального сведения оптического излучения, вход накачки которого соединен с выходом источника накачки, один сигнальный выход выводит излучение на зеркало с высоким коэффициентом отражения, а другой выход соединен с активным волоконным световодом. Второй конец активного волоконного световода соединен с волоконным ответвителем оптического излучения. Один конец волоконного ответвителя служит для вывода излучения из резонатора, а другой конец посылает излучение через фокусирующую линзу на систему компенсации дисперсии, состоящей из двух дифракционных решеток, акустооптического преобразователя частоты и зеркала с высоким коэффициентом отражения. Поляризационный контроллер оптического излучения обеспечивает запуск режима синхронизации мод излучения и управление параметрами режима синхронизации мод.

Однако в отличие от аналога, в предлагаемом способе осуществляется управление множеством когерентно-связанных импульсов, которое формируется за счет использования высоконелинейного германосиликатного волокна в составе резонатора. Кроме того, предлагаемый способ управления количеством импульсов является наиболее простым, с точки зрения реализации, так как изменение дисперсии, используемое в прототипе, в полностью волоконном лазере является трудоемким процессом, сопряженным с риском поломки устройства или потери режима генерации.

Перечень фигур

На фиг. 1 изображена полученная экспериментально зависимость количества связанных импульсов от мощности накачки.

На фиг. 2 изображена структурно-функциональная схема кольцевого волоконного лазера, используемого для управления количеством связанных солитонов.

На фиг. 3 изображен пример зависимости выходного оптического спектра от мощности накачки.

На фиг. 4 изображен пример зависимости автокорреляции связанных импульсов и выходного оптического спектра от мощности накачки.

Осуществление изобретения

На фиг. 2 показана одна из возможных схем волоконного лазера для реализации способа управления количеством связанных. Полностью волоконный кольцевой фемтосекундный лазер состоит из модуля накачки активного эрбиевого волокна, которая осуществляется через спектрально селективный волоконный ответвитель лазерным диодом на длине волны 980 нм с одномодовым излучением на выходе с оптической мощностью до 430 мВт. В качестве активного волоконного световода используется волокно легированное ионами Er³⁺, длиной 3,6 м с поглощением ~6,5 дБ/м на длине волны накачки и коэффициентом дисперсии, равным - 17,4 пс/(нм•км) на длине волны 1550 нм. Высоконелинейный световод представляет собой одномодовый германосиликатный световод с содержанием оксида германия в сердцевине ~50 мол.%, коэффициент дисперсии световода, измеренный в ходе экспериментов, составил - 100 пс/(нм•км), а его длина в схеме ~1,5 м. Стоит отметить, что суммарное внутрирезонаторное значение параметра дисперсии групповой скоростей 02 в схеме лазера составило -0,0053 пс² при соответствующей подобранной длине волокна с аномальной дисперсией SMF-28(Coraing Corp.). Помимо этого в схеме присутствует поляризационный фильтр (поляризатор), который вносит потери, зависящие от интенсивности. В данном случае в качестве поляризатора используется коммерческий изолятор-поляризатор, который осуществляет также функцию изолятора для получения однонаправленной генерации. Два контроллера поляризации установлены в кольцевом резонаторе с двух сторон от изолятора-поляризатора и используются для настройки режимов генерации волоконного лазера. Далее располагается оптический разветвитель, при помощи которого из резонатора выводится часть излучения и поступает на измерительное оборудование (на автокоррелятор и измеритель мощности оптического излучения излучение поступает через дополнительный разветвитель).

Автокоррелятор, необходимый для проведения измерений должен обладать соответствующей чувствительностью и возможностью измерять длительности импульсов в диапазонах от 100 до 5000 фс с погрешностью не более 5%. Анализатор выходного оптического спектра необходим для определения фазового соотношения импульсов. Анализатор выходного оптического спектра должен обеспечивать измерения длины волны в диапазоне от 1,3 до 1,6 мкм точность измерения длины волны ±0,1 нм.

На фиг. 2 изображены: 1 - лазерный диод накачки; 2 - спектрально селективный волоконный ответвитесь оптического излучения; 3 - активный волоконный световод; 4 - высоконелинейное германосиликатное волокно; 5, 7 - поляризационные контроллеры оптического излучения; 6 - изолятор оптического излучения; 7 - автокоррелятор; 8 - волоконный световод с отрицательным значением; 9 - волоконно-оптический разветвитель оптического излучения.

Изменение количества связанных импульсов может начинаться с того момента, когда в волоконном фемтосекундном лазере будет получена устойчивая генерация групп связанных солитонов, после чего необходимо начинать изменение мощности излучения накачки. Шаг изменения мощности накачки должен быть, достаточным для изменения уровня квантования энергии солитонов. Полученные данные зависимости количества импульсов от мощности накачки определяется следующей формулой:

где - коэффициент квантовой эффективности, - мощность накачки, γ - суммарный нелинейный коэффициент, τ_pulse и ƒ_rep - длительность импульса и частота повторения импульсов соответственно, β₂ - полная дисперсия резонатора. Пример полученной зависимости автокорреляции связанных импульсов и выходного оптического спектра от мощности излучения накачки на фиг. 3 и фиг. 4.

Способ относится к способам контроля, используемым в исследованиях волоконных лазеров, генерирующих на длине волны 1,55 мкм. Техническим результатом является возможность реализации в волоконном лазере пассивной синхронизации мод с контролируемым количеством связанных импульсов с постоянным фазовым соотношением между импульсами. Технический результат достигается за счет изменения мощности накачки источника излучения, в качестве которого используется волоконный фемтосекундный лазер, работающий режиме генерации связанных солитонов, с использованием высоконелинейного германосиликатного волокна в составе резонатора, с подключенными к нему измерительными приборами, такими как автокоррелятор и анализатор оптического спектра. Способ управления количеством связанных солитонов в фемтосекундном волоконном лазере заключается в изменении мощности излучения источника накачки. В качестве фемтосекундного лазера используют волоконный кольцевой фемтосекундный лазер, работающий в режиме генерации групп связанных солитонов. Изменение количества связанных импульсов начинают с получения устойчивой генерации групп связанных солитонов, после чего необходимо начинать изменение мощности накачки. Шаг изменения мощности накачки должен быть, достаточным для изменения уровня квантования энергии солитонов. 4 ил.

Способ управления количеством связанных солитонов в фемтосекундном волоконном лазере, заключающийся в использовании фемтосекундного волоконного лазера, работающего в режиме генерации групп связанных солитонов и содержащего источник накачки (1) и волоконный кольцевой резонатор с суммарной отрицательной дисперсией групповых скоростей, состоящий из спектрально-селективного волоконного ответвителя оптического излучения (2), вход накачки которого соединен с выходом лазерного диода источника накачки (1), а выход ответвителя оптического излучения соединен с активным волоконным световодом (3), с отрицательным значением дисперсии групповых скоростей, другой конец активного волоконного световода соединен с волоконным световодом с нормальной дисперсией (4), в качестве которого используется высоконелинейный волоконный световод со ступенчатым профилем показателя преломления, обладающий нормальной дисперсией и высоким коэффициентом нелинейности, соединенным с контроллером поляризации оптического излучения (5), который соединен с изолятором-поляризатором оптического излучения (6), соединенным, в свою очередь, со вторым контролером поляризации излучения (7), который соединен с волоконным световодом с аномальной дисперсией и ступенчатым профилем показателя преломления (8), выход которого соединен с волоконно-оптическим разветвителем излучения (9), один волоконный выход которого соединен со входом спектрально-селективного волоконного ответвителя оптического излучения (2), а другой посылает часть излучения на приборы измерения.