ГЕНЕРАЦИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В СУБМИКРОННОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА НА НЕОДИМОВОМ ВОЛОКНЕ В ПОЛНОСТЬЮ ВОЛОКОННОЙ СХЕМЕ Российский патент 2023 года по МПК H01S3/67 H01S3/1118 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее техническое решение относится к области вычислительной техники, в частности, к способам генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известно решение, выбранное в качестве наиболее близкого аналога, WO2009076967(A1), опубл. 25.06.2009 г. Данное решение относится к волоконной лазерной системе с синхронизацией мод, выполненной с полосой пропускания генерации и имеющей линейный резонатор, причем упомянутый резонатор содержит усиливающую среду, насыщающийся поглотитель, имеющий мощность насыщения, и фильтр, имеющий спектральную характеристику, при этом указанный волоконный лазер с синхронизацией мод. Система устроена таким образом, что можно получить режим работы с синхронизацией мод вместе с непрерывным излучением (CW) при плотности энергии менее чем три раза от плотности энергии насыщения насыщаемого поглотителя.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных решений тем, что предложенный способ обеспечивает генерацию ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное решение, является создание способа генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме.

Технический результат заключается в генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме.

Заявленный результат достигается за счет осуществления способа генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме, содержащего этапы, на которых:

посредством диода накачивают 1,3 -метровое одномодовое PM (одномодовое волокно с сохранением поляризации) волокно, легированное неодимом с поглощением сердцевины через спектральный уплотнитель с разделением по длине волны 800 нм/920 нм (WDM), причем с одной стороны резонатор заканчивается чирпированной волоконной брэгговской решеткой (CFBG) с дисперсией групповой задержки, используемой для компенсации большой нормальной дисперсии волокон внутри резонатора, при этом CFBG служит полосовым оптическим фильтром с центральной длиной волны 920 нм и профилем Гаусса, осуществляя определение длины волны лазерного излучения, при этом для получения синхронизации мод на наконечнике коннектора на другом конце линейного резонатора устанавливается насыщающийся поглотитель на основе полупроводникового зеркала (SESAM), причем линейная поляризация обеспечивается поляризатором внутри схемы.

В частном варианте реализации описываемого способа, реализуется дополнительный спектральный фильтр для фильтрации излучения на 1064 нм и пропускания в области ниже микрона.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемым чертежом, который представлен для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивает область изобретения. К заявке прилагается следующие чертежи:

Фиг. 1 - Линейная схема волоконного лазера с синхронизацией мод.

Фиг. 2 - Порог синхронизации мод и эффективность лазера.

Фиг. 3 - Спектр выходного импульса лазера на 920 нм, отсутствие признаков усиленного спонтанного излучения (УСИ) на 1064 нм.

Фиг. 4 - Карта полученных режимов лазерной генерации для различной полной дисперсий и выходных мощностей.

Фиг. 5 - Гармоническая синхронизации мод 1-го, 6 -го и 12-го порядка при почти нулевой полной дисперсии.

Фиг. 6 - Спектры выходных импульсов для различной полной дисперсии резонатора.

Фиг. 7 - Энергия импульса (коричневый цвет) и ширина импульса (зеленый цвет) при различной полной дисперсии. Для наведения представлены линии, соединяющие точки.

Фиг. 8 - Экспериментальный спектр импульсов для разных мощностей накачки при аномальной полной дисперсии.

Фиг. 9 - Расчетный спектр импульсов для разных мощностей накачки при аномальной полной дисперсии.

Фиг. 10 - Сравнение экспериментальной и расчетной спектральной и временной ширины импульса.

Фиг. 11 - Динамика энергии импульса, спектральной и временной ширины внутри резонатора лазера.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

Настоящее техническое решение основано на всестороннем исследовании генерации ультракоротких импульсов в полностью волоконном лазере, легированным неодимом и с сохранением поляризации, с компенсацией дисперсии на длине волны 920 нм. Волоконная чирпированная Береговская решетка была использована в схеме линейного лазера для компенсации большой нормальной дисперсии волокон. Он также используется в качестве спектрального фильтра для выбора длины волны лазерного излучения и в качестве выходного полупрозрачного зеркала с 25% отражением. Полупроводниковое насыщающееся поглощающее зеркало (SESAM) используется для получения синхронизации мод и в качестве второго глухого зеркала. Полная фильтрация излучения 1064 нм обеспечивается спектральным уплотнителем с разделением по длинам волн 920/1064. Численно и экспериментально исследовалась самозапускающаяся генерация ультракоротких импульсов в диапазоне полной дисперсии от положительной 0,24 пс² до отрицательной 0,05 пс² путем изменения длины резонатора. Кроме того, управление дисперсией позволяет генерировать гармоническую синхронизацию мод до 12-го порядка при достаточно близкой к нулю полной дисперсии и для внутрирезонаторных мощностей, ограниченных порогом разрушения SESAM. Численное моделирование использовалось для оптимизации схемы лазерного резонатора и исследования внутрирезонаторной динамики импульса.

Настоящее техническое решение впервые раскрывает генерацию ультракоротких импульсов, управляемых дисперсией, в полностью волоконном лазере, легированном неодимом, на длине волны 920 нм, содержащем чирпированную волоконную Береговскую решетку (ВБР) для компенсации дисперсии и SESAM в схеме линейного резонатора. Кроме того, управлением дисперсией была достигнута гармоническая синхронизация мод до 12 -го порядка с частотой повторения импульсов 0,43 ГГц при довольно близкой к нулю полной дисперсией для внутрирезонаторных мощностей ниже порога деградации SESAM.

Фиг. 1 - Линейная схема волоконного лазера с синхронизацией мод: ВБР - волоконная брэгговская решетка, WDM - спектральный уплотнитель, LD - лазерный диод, SESAM - полупроводниковое зеркало с насыщающимся поглотителем.

Фиг. 2 - Порог синхронизации мод и эффективность лазера.

Фиг. 3 - Спектр выходного импульса лазера на 920 нм, отсутствие признаков усиленного спонтанного излучения (УСИ) на 1064 нм (Экспериментальные и численные спектры импульсов с аппроксимацией по Гауссу при аномальной полной дисперсии).

Схема линейного лазера, использованная для получения синхронизации мод, показана на фигуре 1. Здесь диод 808 нм (LU0808M250 Lumics) накачивает 1,3 -метровое одномодовое PM волокно, легированное неодимом (CorActive ND 103-PM) с поглощением сердцевины ≈ 40 дБ/м на 808 нм через спектральный уплотнитель с разделением по длине волны 800 нм/920 нм (WDM). С одной стороны резонатор заканчивается чирпированной волоконной брэгговской решеткой (CFBG, TeraXion) с дисперсией групповой задержки 0,19 пс², используемой для компенсации большой нормальной дисперсии волокон внутри резонатора. Он обеспечивает 25% отражения, и 75% отправляет на выход лазера. CFBG также служит полосовым оптическим фильтром с центральной длиной волны 920 нм и профилем Гаусса с полосой пропускания 10 нм при 3 дБ (см. фиг. 1), таким образом определяя длину волны лазерного излучения. Для получения синхронизации мод использовался SESAM (BATOP GmbH), установленный на наконечнике коннектора на другом конце линейного резонатора. SESAM изготовлен на длину волны 920 нм с глубиной модуляции 15 %, временем релаксации 0,5 пс и плотностью энергии насыщения 30 мкДж/см 2. Линейная поляризация лазерного излучения обеспечивается линейным гибридным компонентом поляризатор/WDM-1064/920, который также обеспечивает полную фильтрацию более эффективного усиленного спонтанного излучения Nd-волокна на 1064 нм. Общая длина резонатора с полным обходом в случае самой короткой лазерной схемы составляет 4,0 м, что в сочетании с CFBG дает -0,05 пс² полной аномальной дисперсии резонатора. Дальнейшая регулировка дисперсии осуществлялась путем изменения длины пассивного волокна с нормальной дисперсией β 2 = +35 пс² /км между SESAM и 800/920 WDM. Стабильная самозапускающаяся генерация импульсов достигается, начиная с мощности накачки 100 мВт , с КПД 9%, в то время как при более низких мощностях накачки лазер производит непрерывное излучение (CW) с несколько меньшей эффективностью, что можно объяснить более высокими потерями SESAM в CW, чем в режиме синхронизации мод (см. фиг. 2). Спектр импульса в большом масштабе показан на фиг. 2 без каких-либо признаков паразитного УСИ (ASE) неодимового волокна на длине волны 1064 нм. Спектр излучаемого импульса при аномальной полной дисперсии имеет гауссов профиль (см. фиг. 3), что подтверждается численным моделированием, которое будет обсуждаться позже).

Характеризация импульсной генерации осуществляется с помощью следующих приборов: Yokogawa AQ6373 OSA, фотодетектор ThorLabs InGaAs DET08CFC и осциллограф Tektronix MDO3102 1 ГГц, автокоррелятор Femtochrome FR-103WS, фотодиодный измеритель мощности ThorLabs S132C.

Фиг. 4 - Карта полученных режимов лазерной генерации для различной полной дисперсий и выходных мощностей.

Фиг. 5 - Гармоническая синхронизации мод 1-го, 6 -го и 12-го порядка при почти нулевой полной дисперсии.

Когда полная дисперсия приближается к нулю, ее относительно небольшое изменение может привести к существенному изменению режима генерации импульсов. В данном эксперименте варьировали полную дисперсию резонатора в пределах -0,05 пс ² ÷ 0,24 пс ² и проанализировали на карте режимы импульсной генерации в зависимости от внутрирезонаторной мощности и соответствующей выходной мощности, которая представлена на фиг. 4. Внутрирезонаторная мощность ограничена порогом деградации SESAM, равной средней мощности 10 мВт, поэтому на выходе устанавливается предел 7 мВт. Приближаясь к нулевой полной дисперсии с отрицательной стороны, порог генерации импульса и порог расщепления солитона уменьшаются в соответствии с теоремой площадей. Это приводит к снижению максимально достижимой энергии импульса. При нулевой полной дисперсии генерации импульсов не наблюдается. Типично, существенно больше глубины модуляции требуется для достижения стабильной синхронизации мод. В соответствии с нашим численным моделированием необходимо иметь 30% глубины модуляции, однако на эксперименте она равна 15%. При слегка положительной дисперсии около +0,006 пс² система стремится генерировать в режиме гармонической синхронизации мод с минимальной энергией импульса. Нам удалось достичь 12 -й гармоники с частотой повторения 0,43 ГГц, ограниченной порогом повреждения SESAM, см. фиг. 5. Дальнейшее увеличение в сторону положительной полной дисперсии расширяет диапазон внутрирезонаторной мощности, поддерживающий генерацию одиночных импульсов. В то же время переход от одиночных импульсов к второй гармонике происходит через режим модуляции добротности (QML). Для длинных резонаторов, начиная с полной дисперсии 0,15 пс², импульсы демонстрируют поведение, более типичное для диссипативных солитонов, с плоской вершиной спектра, сильно чирпированными импульсами и большим диапазоном по мощности одиночных импульсов. При дисперсии более 0,24 пс² не удалось наблюдать синхронизацию мод при допустимой максимальной внутрирезонаторной мощности лазера.

Спектральные измерения показывают резкие изменения спектров импульсов для различных полных дисперсий резонатора (см. фиг. 6). Для длинных резонаторов общая нормальная дисперсия волокна в несколько раз превышает аномальную дисперсию ВБР (CFBG), таким образом результирующая полная дисперсия остается высоко положительной. Сформированный импульс покидает резонатор, распространяясь через CFBG без компенсации дисперсии в конце полного обхода, и его спектр приобретает форму, характерную для диссипативного солитона. Увеличение длины резонатора приводит к сужению спектра импульса. Для коротких резонаторов, с аномальной полной дисперсией, форма спектра импульса на выходе получаются ближе к гауссу (см. фиг. 2), внутрирезонаторная динамика которых будет обсуждаться далее). Все перечисленные характеристики импульса хорошо согласуются с поведением солитона управляемый дисперсией, за исключением наибольшего случая нормальной дисперсии 0,15 ÷ 0,24 пс², где наблюдается диссипативные солитоны.

Энергия импульса и ширина импульса как функция полной дисперсии резонатора представлены на фигуре 7. Как описывалось ранее, наименьшая энергия импульса 12 пДж наблюдается вблизи нулевой дисперсии и увеличивается по мере удаления от этой точки. Для наибольшей нормальной и аномальной дисперсии энергия импульса ограничена порогом разрушения SESAM (см. фиг. 7, черная пунктирная линия). Напротив, ширина импульса демонстрирует монотонный рост при переходе от отрицательной к положительной дисперсии (см. фиг. 7, зеленая кривая). Распространяясь по оптическим волокнам с нормальной дисперсией, импульс накапливает положительный чирп. На выходе лазера CFBG не влияет на чирп импульса при прохождении через него, а при отражении CFBG компенсирует дисперсию и даже может менять знак чирпа импульса. Таким образом, выходной импульс всегда имеет положительный чирп, который пропорционален длительности импульса и становится больше с увеличением длины резонатора. Полученные импульсы достигают ширины 1,8 пс при самой короткой схеме резонатора и превышают 50 пс при длине обхода 11,6 м.

Исследование динамики импульса и его внутрирезонаторное поведение для наиболее важного случая полной дисперсии -0,05 пс², когда наблюдается самый короткий импульс и самая большая пиковая мощность. Для этого осуществлялся численный расчет с использованием уравнения Гинзбурга-Ландау для комплексной амплитуды на основе метода Фурье расщепления по физическим факторам (Split Step Fourier Method). Дисперсия и керровская нелинейность всех волокон взяты +35 пс 2 /км и 0,01 Вт 1 м -1 соответственно. Насыщающийся поглотитель SESAM моделируется с использованием стандартных скоростных уравнений. Распространение через CFBG рассчитывается путем умножения комплексного электрического поля на спектр отражения и коэффициент дисперсии в частотном пространстве. Усиление излучения в волокне, легированного неодимом, моделируется уравнением Гинзбурга-Ландау с насыщающимся усилением с параболической полосой усиления 50 нм, имеющей максимум при 905 нм, и мощностью насыщения 20 мВт, которая оценивается по УСИ (ASE) Nd волокна в диапазоне 900 нм.

На фиг. 8, 9 показаны экспериментальные спектры импульсов и соответствующие расчеты для различных мощностей накачки, которые демонстрируют хорошее совпадение. Спектральная и временная ширина импульсов увеличивается с увеличением мощности, как показано на фиг. 10.

Фиг. 11. Динамика энергии импульса, спектральной и временной ширины внутри резонатора лазера.

Расчеты показывают, что длительность импульса вдоль резонатора постоянно меняется, см. фиг. 11. После отражения от CFBG с аномальной дисперсией импульс меняет знак чирпа с положительного на отрицательный, а затем, распространяясь по волокну с положительной дисперсией, меняет знак еще раз обратно. В этот момент импульс достигает минимальной ширины (нижняя панель) внутри резонатора ~600 фс, а также минимальной ширины спектра (верхняя панель), который также дышит в резонаторе. Такое поведение характерно для солитона управляемым дисперсией, который дважды меняет знак. Соответствующая энергия импульса показана на верхней панели черной линией. Видно, что импульс выходит из лазера вблизи максимальной энергии. Незначительное увеличение выходной энергии возможно, если фильтрующий 920/1060 WDM переместить в другое положение, но это приведет к значительному излучению ASE на 1060 нм. По максимальной выходной мощности существуют ограничения порога повреждения SESAM, и его можно значительно увеличить за счет дальнейшего усиления внешним усилителем или реализации насыщающегося поглотителя, не подвергающегося термической деградации.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает генерацию ультракоротких импульсов управляемые дисперсией на длине волны 920 нм в полностью волоконном лазере, легированном неодимом и с сохранением поляризации, за счет разработанной схемы линейного лазера с волоконной чирпированной брэгговской решеткой в качестве полупрозрачного выходного зеркала и SESAM в качестве второго глухого зеркала. Компенсация дисперсии с чирпированной волоконной брэгговской решеткой позволила продемонстрировать различные режимы импульса в зависимости от полной дисперсии. Решение позволяет получать импульсы с энергией 132 пДж и с длительностью 2 пс при частоте повторения 51 МГц при аномальной полной дисперсии, а также импульсы с энергией 14 пДж и с длительностью 5,5 пс при частоте повторения 430 МГц в режиме гармонической синхронизации мод при полной дисперсии близкой к нулю. Энергия импульса и максимальная частота повторения в режиме гармонической синхронизации мод ограничены порогом повреждения SESAM и могут быть значительно увеличены путем интегрирования термостабильного насыщающегося поглотителя.

Настоящее техническое решение содержит в себе следующие существенные отличия от известного уровня техники.

В настоящем техническом решении используется фильтрующий элемент, позволяющий убрать генерацию на длине волны 1064, тем самым увеличивая эффективность усиления на 920 (а также из выходящего излучения не нужное свечение на 1064).

Накачка предлагаемого лазера в отличие от известных направлена не в сторону SESAM, а в сторону CFBG, которая является прозрачной для оставшейся накачки, позволяя ей выйти наружу (в предлагаемом техническом решении все элементы (в том числе волокно) сохраняют поляризацию).

Все элементы в настоящем техническом решении волоконные.

Компенсация дисперсии в настоящем техническом решении осуществляется чирпированной волоконной решеткой.

В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности, к способам генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме. Техническим результатом изобретения является генерация ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме. Способ генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме заключается в накачке посредством диода 1,3-метрового одномодового волокна с сохранением поляризации, легированного неодимом с поглощением сердцевины через спектральный уплотнитель с разделением по длине волны 800 нм/920 нм. С одной стороны резонатор заканчивается чирпированной волоконной брэгговской решеткой (CFBG) с дисперсией групповой задержки, используемой для компенсации большой нормальной дисперсии волокон внутри резонатора. CFBG служит полосовым оптическим фильтром с центральной длиной волны 920 нм и профилем Гаусса, осуществляя определение длины волны лазерного излучения. Для получения синхронизации мод на наконечнике коннектора на другом конце линейного резонатора устанавливается насыщающийся поглотитель на основе полупроводникового зеркала (SESAM). Линейная поляризация обеспечивается поляризатором внутри схемы. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме, содержащий этапы, на которых: посредством диода накачивают 1,3-метровое одномодовое PM волокно, легированное неодимом с поглощением сердцевины через спектральный уплотнитель с разделением по длине волны 800 нм/920 нм (WDM), причем с одной стороны резонатор заканчивается чирпированной волоконной брэгговской решеткой (CFBG) с дисперсией групповой задержки, используемой для компенсации большой нормальной дисперсии волокон внутри резонатора, при этом CFBG служит полосовым оптическим фильтром с центральной длиной волны 920 нм и профилем Гаусса, осуществляя определение длины волны лазерного излучения, при этом для получения синхронизации мод на наконечнике коннектора на другом конце линейного резонатора устанавливается насыщающийся поглотитель на основе полупроводникового зеркала (SESAM), причем линейная поляризация обеспечивается поляризатором внутри схемы.

2. Способ по п.1, в котором реализуется дополнительный спектральный фильтр для фильтрации излучения на 1064 нм и пропускания в области ниже микрона.