Диссертация: ГЕНЕРАЦИЯ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРНЫХ РЕЗОНАТОРАХ НА ОСНОВЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ПЕТЛЕВЫХ ЗЕРКАЛ
Информация о документе
- Формат документа
- Кол-во страниц
- 23 страницы
- Загрузил(а)
- Лицензия
- —
- Доступ
- Всем
- Просмотров
- 9
Предпросмотр документа
Информация о диссертации
- Место защиты (город)
- Россия, Новосибирск
- Научный руководитель
- кандидат физико-математический наук, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», г. Новосибирск Смирнов Сергей Валерьевич
- Учёная степень
- Кандидат наук
- Год публикации
- 2021
- Тема диссертации
- 01.04.21 Лазерная физика
- Каталог SCI
- Физика
- Актуальность проблемы
-
Изучение волоконных источников сверхкоротких импульсов является динамично развивающейся областью волоконной оптики, тесно связанной с прикладными задачами. Среди преимуществ волоконных лазерных систем
можно выделить их относительно малые размеры, высокое качество выходного оптического пучка, эффективное охлаждение, высокую стабильность импульсной генерации, возможность генерации коротких и сверхкоротких импульсов пико- и фемтосекундного диапазона.Первые импульсные волоконные лазеры появились вскоре после демонстрации непрерывных лазеров с использованием активных волокон, легированных неодимом [1]. Для генерации импульсного излучения использовались активные модуляторы [2], при этом длительность импульсов определялась временными характеристики модуляторов и составляла несколько сотен пикосекунд. В первых волоконных лазерах параметры
оптического волокна резонатора, такие как коэффициент хроматической дисперсии групповых скоростей и нелинейный коэффициент Керра, слабо влияли на параметры выходного импульсного излучения.Большой прогресс в области волоконных лазеров с синхронизацией мод резонатора начался с появлением активных волокон, легированных ионами эрбия, которые позволили генерировать оптическое излучение в области 1.55
мкм, где кварцевое одномодовое волокно имеет наименьшие оптические потери и обладает аномальной хроматической дисперсией групповых скоростей. Использование в лазерном резонаторе длинного отрезка волокна,
легированного эрбием, позволило добиться импульсной генерации с длительностью несколько пикосекунд с явными признаками солитонного формирования импульса [3,4], при котором достигался баланс между эффектами хроматической дисперсии и фазовой само-модуляции. В дальнейшем генерацию солитонов демонстрировали в других спектральных областях: 1.06 мкм [5], 1.9 мкм [6], 2 мкм [7].Условие баланса между эффектами хроматической дисперсии и Керровской нелинейности существенно ограничивает максимальную энергию солитонов в масштабах пикоджоулей. В процессе изучения принципов
формирования импульсного излучения в волоконных резонаторах в режиме синхронизации мод были выявлены различные классы импульсов, которые обладают значительно большими энергиями: растянутые импульсы [8],
симиляритоны [9], диссипативные солитоны [10].Особый интерес представляют диссипативные солитоны (ДС), которые могут обладать энергиями вплоть до микроджоулей [11] и могут быть сжаты вне волоконного резонатора до десятков фемтосекунд [12]. В отличие от
консервативных солитонов, ДС формируются в волоконном резонаторе при условии баланса между консервативными (хроматическая дисперсия, нелинейность Керра) и диссипативными эффектами, связанными с
оптическими потерями (линейные потери, спектральная фильтрация). При этом существенные оптические потери в одной части волоконного резонатора компенсируются оптическим усилением в другой его части. В результате
жесткое ограничение на максимальную энергию импульсов исчезает.Следующим необходимым условием генерации ДС в волоконном лазерном резонаторе является наличие элемента (или группы элементов), дискриминирующего непрерывное излучение по отношению к импульсному – насыщающегося поглотителя. Генерация ДС была продемонстрирована в различных лазерных схемах с эффектом нелинейного вращения поляризации [13], с использованием слоя углеродных нанотрубок [14], с использованием
полупроводникового насыщающегося поглотителя, с использованием волоконного петлевого зеркала [15].Лазеры на основе волоконных петлевых зеркал являются наиболее перспективными с точки зрения создания полностью волоконных источников высокомощных импульсов. Кварцевое волокно, на базе которого реализуется
петлевое зеркало, поддерживает распространение оптического излучения мощностью более десятка Ватт. Благодаря этой особенности на базе волоконного петлевого зеркала был создан полностью волоконный источник импульсов с энергией 12 мкДж [16]. Принцип работы петлевого зеркала позволяет создавать резонаторы на базе элементов с сохранением поляризации, которые обеспечивают стабильность импульсной генерации по отношению к влиянию окружающей среды [17].Однако классические схемы лазеров с нелинейным усиливающим петлевым зеркалом накладывают ограничения на управление параметрами ДС. При увеличении энергии ДС наблюдается увеличение длительности импульса, спровоцированное эффектом диссипативного солитонного резонанса (ДСР). Увеличение длительности ДС сопровождается сужением его оптического спектра и закреплением его пиковой мощности [18]. Эффект наблюдался во множестве работ, посвященных исследованию волоконных лазеров с нелинейным петлевым зеркалом [19–23].
ДС является когерентным импульсом– спектральные моды ДС связаны друг с другом по фазе. Помимо генерации полностью когерентных импульсов, в волоконных лазерных резонаторах возможна генерация частично
когерентных импульсов, которые иначе называются двух-масштабными [24].При частичной когерентности оптический импульс обладает двумя временными масштабами: длительностью огибающей оптического импульса и длительностью флуктуаций оптического поля внутри огибающей. Двух-
масштабные импульсы обеспечивают более эффективную генерацию второй гармоники [25] и генерацию супер-континуума [26] по сравнению с полностью когерентными импульсами. Возможность вариации степени когерентности импульсного излучения в фиксированном лазерном резонаторе остается малоизученной и несет в себе как фундаментальный, так и практический интерес.Ключевой идеей для вариации параметров импульсного излучения является использование нескольких участков усиления оптического излучения в лазерном резонаторе с нелинейным петлевым зеркалом. При синхронизации мод резонатора роль этих участков заключается не только в усилении, но и в изменении нелинейного набега фазы оптического излучения и свойств насыщающегося поглощения петлевого зеркала. Распределенный контроль перечисленных эффектов в разных точках лазерного резонатора является мощным инструментом для непрерывной вариации параметров импульсного излучения.
- Цель работы
-
Целью данной работы являлась разработка схем волоконных лазерных резонаторов на основе волоконных зеркал, предоставляющих возможность независимой перестройки параметров импульсного излучения, таких как:
пиковая мощность, ширина оптического спектра, временная длительность, степень когерентности. - Основные задачи
-
-
Разработать полностью волоконную лазерную систему на основе нелинейного петлевого зеркала и добиться ее стабильной работы в режиме импульсной генерации.
-
Разработать элемент на основе нелинейного петлевого зеркала для эффективного управления свойствами импульсного излучения.
-
Разработать комплексную систему для синхронного измерения параметров импульсного излучения в режиме синхронизации мод.
-
Исследовать режимы генерации коротких импульсов при различных параметрах и конфигурациях волоконного лазерного резонатора.
-
- Научна новизна
-
-
Впервые исследованы свойства схемы волоконного нелинейного усиливающего петлевого зеркала с двумя отрезками активного волокна с независимо управляемыми модулями оптической накачки в качестве насыщающегося поглотителя. Продемонстрирована возможность управления мощностью насыщения нелинейного усиливающего зеркала независимо от его коэффициента усиления, которая недостижима в схеме с одним отрезком активного волокна.
-
Впервые продемонстрирована возможность варьировать пиковую мощность диссипативных солитонов при достижении диссипативного солитонного резонанса в волоконном лазерном резонаторе на основе нелинейного петлевого зеркала.
-
Впервые выявлена возможность непрерывного изменения высоты пика когерентности двухмасштабных импульсов в волоконном резонаторе на основе усиливающего петлевого зеркала.
-
Впервые проведено спектральное преобразование двух-масштабных оптических импульсов в двух-масштабные импульсы в спектральной области 1270 нм.
-
- Заключение
-
В заключении сформулированы следующие основные результаты диссертации:
-
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать конфигурацию НУПЗ-2 для управления свойствами импульсного излучения в волоконном лазерном резонаторе. Продемонстрирована возможность управления мощностью насыщения НУПЗ-2 вне зависимости от его общего усиления, что принципиально отличает его от классического нелинейного петлевого зеркала.
-
Реализована экспериментальная схема волоконного лазерного резонатора с НУПЗ-2. Общая нормальная дисперсия волоконного лазерного резонатора обуславливала генерацию коротких ДС с длительностью в диапазоне 55 – 160 пс. Управление коэффициентами усиления НУПЗ-2 обеспечило перестройку пиковой мощности ДС в диапазоне 50 – 400 Вт. Избирательный переход между диссипативными солитонными резонансами позволил управлять спектральными свойствами импульсов. Были выявлены области генерации полностью когерентных и частично когерентных импульсных режимов.
-
Реализована экспериментальная схема волоконного лазерного резонатора с двумя усилителями в обеих петлях лазерного резонатора. Параметры когерентных импульсов лежали в диапазонах: длительность 23 – 114 пс, ширина оптического спектра 2.75 – 20 нм, средняя мощность излучения 40 – 360 мВт.
-
Разработан и применен на практике стохастический алгоритм оптимизации для поиска импульсных режимов с заданными параметрами. С помощью данного алгоритма были найдены импульсные режимы с наименьшей длительностью 23 пс и импульсные режимы с наибольшей энергией 22 нДж, реализуемые в фиксированной
геометрии лазерного резонатора. Продемонстрирована возможность задания параметров импульсной генерации на примере генерации импульсных режимов с разной высотой пика когерентности в диапазоне 0.02 – 0.5 и одинаковой длительностью огибающей автокорреляционной функции 50 пс. -
Впервые было продемонстрировано спектральное преобразование двух-масштабных импульсов на длине волны 1080 нм, сгенерированных в волоконном лазере с НУПЗ, в двух-масштабные импульсы на длине волны 1270 нм в фосфор-силикатном ВКР-осцилляторе с коэффициентом преобразования 47%. Максимальная энергия импульсов
с центральной длиной волны 1270 нм составила 63 нДж при длительности огибающей 180 пс и временем когерентности 200 фс. Было продемонстрировано, что длительность огибающей преобразованных импульсов возможно уменьшить до 88 пс за счет уменьшения времени взаимодействия импульса накачки со стоксовым импульсом, что одновременно ведет к уменьшению средней мощности выходных импульсов до 510 мВт.
-