Содержание к диссертации
Введение
1. Тулиевые волоконные лазеры с пассивной синхронизацией мод с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM 24
11.1 Особенности генерации лазеров на основе тулиевых световодов 25
.2 Полупроводниковый насыщающийся поглотитель SESAM 29
1.3 Тулиевый волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM с линейной геометрией резонатора 34
1.4 Нелинейное усиливающее кольцевое зеркало 43
1.5 Тулиевый волоконный лазер с гибридной пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала 46
Выводы по главе 1 55
2. Тулиевые волоконные лазеры с пассивной синхронизацией мод с помощью углеродных наноструктур 57
2.1 Одностенные углеродные нанотрубки ачестве насыщающегося поглотителя в лазерной схеме 58
2.2 Тулиевый волоконный лазер с гибридной пассивной синхронизацией мод с помощью одностенных углеродных нанотрубок и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала 65
2.3 Тулиевый кольцевой волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью одностенных углеродных нанотрубок нелинейной эволюции поляризации 76
2.4 Тулиевый кольцевой волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью одностенных углеродных нанотрубок внутрирезонаторным управлением дисперсии 83
Выводы по главе 2 94
3. Усиление и сжатие ультракоротких импульсов 96
3.1 Тулий-иттербиевый световод с многоэлементной первой оболочкой 96
3.2 Однокаскадная схема тулий-иттербиевого волоконного усилителя 99
3.3 Двухкаскадная схема тулий-иттербиевого волоконного усилителя 104
Выводы по главе 3 115
Заключение 117
Благодарности 119
Литература
- Тулиевый волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM с линейной геометрией резонатора
- Тулиевый волоконный лазер с гибридной пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала
- Тулиевый волоконный лазер с гибридной пассивной синхронизацией мод с помощью одностенных углеродных нанотрубок и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала
- Двухкаскадная схема тулий-иттербиевого волоконного усилителя
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время волоконные лазеры все чаще заменяют объемные твердотельные лазеры во многих областях науки и техники. Они обладают очевидными преимуществами, например, высокой эффективностью накачки, хорошим качеством лазерного излучения (возможностью генерации одномодовых, почти гауссовых пучков), а также широким диапазоном мощностей генерируемого непрерывного излучения и длительностей импульсов при работе в импульсном режиме. Благодаря простоте лазерной системы, отсутствию механических юстиро-вок и существенных проблем с теплоотводом даже при высоких генерируемых мощностях, конструкция волоконных лазеров более компактна и надежна по сравнению с твердотельными лазерами. Рабочий спектральный диапазон ныне существующих волоконных лазеров на активных центрах редкоземельных элементов простирается от ~ 900 до 2300 нм.
Генерация излучения на длине волны в районе 2 мкм свойственна лазерам на основе световодов, легированных ионами тулия. В последнее время смещение длины волны генерации в средний ИК диапазон привлекает все большее внимание исследователей, что объясняется широкой областью его применения. Спектральный диапазон генерации тулиевых волоконных лазеров (1850-2100 нм) покрывает полосы поглощения воды, что позволяет применять данный тип лазеров в медицине, в частности в офтальмологии и «бескровной» хирургии. Кроме того в полосу генерации входят окна прозрачности атмосферы, что дает возможность использования лазеров для атмосферной оптической связи, лазерной локации, спектроскопии газов. Тулиевые волоконные лазеры могут служить компактным, эффективным и доступным источником накачки твердотельных лазеров, генерирующих в диапазоне длин волн 3-5 мкм.
Ширина полосы усиления активной среды является одним из определяющих факторов генерации ультракоротких импульсов. Длительность образующихся в лазерном резонаторе флуктуационных импульсов обратно пропорциональна ширине спектра усиления активной среды. Таким образом, применение тулиевых световодов с широким спектральным диапазоном позволяет генерировать импульсы суб-пикосекундной и даже фемтосекундной длительности. Работа лазера в импульсном режиме генерации позволяет увеличить энергию и достичь высокую пиковую мощность излучения. Для генерации коротких импульсов применяются режимы модуляции добротности резонатора или пассивной синхронизации мод. Задача разработки лазеров ультракоротких импульсов является актуальной в течение более двух десятков лет.
Цели работы
-
Реализация и изучение схем стабильной непрерывной генерации импульсов в волоконном лазере на основе изотропного алюмосиликатного световода легированного ионами тулия в режиме пассивной синхронизации мод с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM и одностенных углеродных нанотрубок (ОУН), а также гибридного насыщающегося поглотителя, основанного на их совместном действии с нелинейным усиливающим кольцевым зеркалом или нелинейной эволюции поляризации (НЭП).
-
Исследование режимов лазерной генерации и оптимизация выходных параметров: минимизация длительности и увеличение энергии - путем управления суммарной дисперсией внутри резонатора с помощью добавления пассивного высоконелинейного германо-силикатного световода с нормальной дисперсией.
-
Разработка одно- и двухкаскадной волоконной схемы усилителя импульсного лазерного излучения на основе активного световода с многоэлементной первой оболочкой, легированного совместно ионами тулия и иттербия, с много-модовой диодной накачкой на длине волны 980 нм и исследование возможности компрессии импульсов за счет эффекта многосолитонного сжатия в пассивном одномодовом световоде.
Научная новизна
Созданы и исследованы схемы тулиевых волоконных лазеров, построенных на основе нелинейного усиливающего кольцевого зеркала с пассивной синхронизацией мод с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM или ОУН. В обеих конфигурациях получена генерация импульсов минимальной на настоящий момент длительности 230 и 450 фс, соответственно.
В лазере с кольцевой конфигурацией резонатора и гибридной синхронизацией мод с помощью совместного действия НЭП и ОУН получена средняя выходная мощность 300 мВт и энергия импульсов ~ 4 нДж непосредственно из задающего лазера.
Продемонстрирована генерация спектрально-ограниченных инверсно-модифицированных солитонов в лазере с кольцевой геометрией резонатора и пассивной синхронизацией мод с помощью ОУН при создании высокой нормальной внутрирезонаторной дисперсии.
Получено усиление суб-пикосекундных импульсов в тулий-иттербиевом двухкаскадном волоконном усилителе до уровня пиковой мощности порядка сотен киловатт с последующей компрессией усиленных импульсов с помощью эффекта многосолитонного сжатия в пассивном одномодовом световоде до длительностей порядка 200 фс.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Применение гибридной пассивной синхронизации мод с помощью совместного действия быстрого (основанного на нелинейном оптическом эффекте Керра) и сравнительно с ним медленного насыщающегося поглотителя (SESAM или ОУН) позволяет генерировать стабильные высококачественные импульсы суб 500-фс длительности. Управление внутрирезонаторной и внешней дисперсией в таких лазерах позволяет сократить длительность импульсов до ~ 200 фс.
-
В лазере кольцевой конфигурации с пассивной синхронизацией мод с помощью ОУН при наличии участка с высокой нелинейностью и создании высокой нормальной внутрирезонаторной дисперсии генерируются спектрально ограниченные инверсно-модифицированные солитоны.
-
Эффективный волоконный усилитель и компрессор лазерных импульсов ультракороткой длительности в диапазоне длин волн 1900 - 2100 нм реализован на основе тулий-иттербиевого световода с многоэлементной первой оболочкой с выходной пиковой мощностью в сотни киловатт и одномодовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка.
Практическая ценность
-
Доступность и простота разработанных лазерных схем делают их привлекательными для применения в лазерной технике. Исследование тулиевых лазеров расширяет диапазон длин волн генерации волоконных лазеров в сторону среднего ИК-диапазона и открывает возможность их применения в оптической атмосферной связи и волоконно-оптической связи применением световодов с воздушной сердцевиной, а также в медицине.
-
Продемонстрированные особенности генерации тулиевого волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод и управлением дисперсией могут быть полезны при разработке лазерных источников излучения с варьируемыми длительностью и частотой следования импульсов, а также перестраиваемой длиной волны излучения.
-
Разработанные эффективные схемы одномодовых усилителей импульсов на основе тулий-иттербиевых световодов с многоэлементной первой оболочкой, которые обеспечивают выходную пиковую мощность киловаттного уровня, представляет собой готовый инструмент для использования в таких областях науки и техники, как исследование нелинейных явлений и обработка материалов, в том числе прозрачных полупроводниках.
Апробация работы
Основные результаты были доложены на следующих всероссийских и международных конференциях: Всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, Россия, 2011, 2013 гг.); Fiber Lasers and Applications (FILAS) in Lasers, Sources and Related Photonics Devices Congress (Сан Диего, США, 2012); International Conference on Laser Optics (LO) (С.Петербург, Россия, 2012); 20 International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'12) (Тун, Швейцария, 2012); 38 и 39 European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC) (Амстердам, Нидерланды, 2012 и Лондон, Великобритания, 2013)
Публикации
Основные результаты опубликованы в 7 статьях в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией: «Квантовая электроника», Laser Physics, Optics Express, IEEE Photonics Technologies Letters и 7 сборников трудов всероссийских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Личный вклад диссертанта
Все результаты, представленные на защиту, были получены лично диссертантом или при ее непосредственном участии. Автор участвовала в постановке, проведении экспериментов и обработке результатов. Часть работы выполнялась в ходе прохождения стажировки в университете Aston (г. Бирмингем, Великобритания) в рамках европейской программы обмена FP7-PEOPLE-2010-IRSES.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем текста составляет 134 страницы и содержит 70 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 156 наименований.
Тулиевый волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM с линейной геометрией резонатора
В 1961 году Е. Snitzer представил первый волоконный лазер на основе световода, 0,[21 легированного ионами неодима . Однако интенсивное развитие исследований и разработки волоконных лазеров и усилителей началось после создания мощных и компактных полупроводниковых лазерных диодов, применяемых в качестве источников [31-Г51 накачки . Вторым немаловажным аспектом развития явилась реализация светово [6l[7l дов, обладающих низкими потерями (до 0,16 дБ/км на длине волны 1550 нм) , путем разработки и оптимизации методов изготовления преформ для их вытяжки, например MCVD (модифицированного химического осаждения из газовой фазы), Г101 / ЛГПІ VAD (аксиального осаждения из газовой фазы), (JVD (внешнего осаждения из с [121 газовой фазы) и bPCVD (метода химического осаждения из плазмы). Это позволило создавать необходимый профиль показателя преломления световода, а также легировать его сердцевину и оболочку различными элементами для получения световодов с заданными параметрами.
В настоящее время благодаря своим неоспоримыми преимуществами волоконные лазеры все чаще заменяют объемные твердотельные во многих областях науки и Г13ЇЇ151 Г техники . енерация твердотельных лазеров является нестабильной при различных внешних воздействиях, особенно механических, так как любое незначительное колебание элементов вызывает разъюстирование лазерной системы. Волоконные лазеры свободны от данного недостатка, им свойственна компактность и надежность конструкции, обусловленная простотой лазерной системы. В случае волоконных лазеров отсутствует необходимость механических юстировок, так как излучение распространяется в сердцевине световода за счет эффекта полного внутреннего отражения. Кроме того, волоконные лазеры не сталкиваются с проблемой с теплоотвода даже при достижении мощности генерируемого излучения более 100 Вт ввиду большой площади поверхности световодов по сравнению с диаметром. Волоконные лазеры также обладают высокой эффективностью накачки, выходное лазерное излучение имеет высо [161 кое качество, генерируются одномодовые, гауссовые пучки с широким диапазоном мощностей (от нескольких мВт до десятков кВт в непрерывном режиме) и длительностей импульсов при работе в импульсном режиме (от нескольких микросекунд до десятков фемтосекунд). Однако, полностью волоконная конфигурация лазерного резонатора усложняет процесс его разработки и оптимизации, так как в случае полностью замкнутой конструкции затруднено плавное варьирование параметров схемы (например изменения длины резонатора), введение излучения накачки в сердцевину световода, а также внедрение и регулировка внутрирезонаторных элементов, таких как линзы, призмы или дифракционные решетки.
Реализация непрерывного режима пассивной синхронизации мод Задача разработки лазеров ультракоротких импульсов (УКИ) является актуаль [171 ной в течение более двух десятков лет с момента их первой демонстрации , так как работа лазера в импульсном режиме генерации позволяет увеличить энергию и достичь высокую пиковую мощность излучения. При этом работа в непрерывном режиме генерации импульсов позволяет точно измерять их длительность, а также восстанавливать форму. Благодаря использованию методик измерения автокорреляционных функций интенсивности генерируемых ультракоротких импульсов, фемтосекундные лазеры имеют широкой круг применений как в нелинейной оптике, так и в прецизион [181 [191 [201 ной метрологии времени и длины , а также в спектроскопии и астрофизике .
Для реализации генерации коротких и ультракоротких импульсов применяются методы модуляции добротности резонатора, пассивной синхронизации мод или их комбинация. Первые исследования режима пассивной синхронизации мод проводились еще в 1960-1970-х годах на примере твердотельных лазеров и лазеров на основе [21ЇЇ221 красителей . При этом в последних была достигнута достаточно короткая дли [221 тельность импульсов, менее 100 фс . Однако, ввиду малой эффективности генерации, сложности и непрактичности устройства они не нашли широкого применения вне лабораторий. С переходом в 1980-х годах к изучению нелинейных эффектов в оптических световодах произошел существенный прорыв в разработке лазеров ультракорот [231 ких импульсов, работающих на длинах волн ближнего ИК-диапазона .
Формирование УКИ в лазерах с пассивной синхронизацией мод происходит за счёт влияния механизма насыщения потерь, который инициирует и поддерживает режим непрерывной генерации , а также взаимного действия нелинейного эффекта фазовой самомодуляции (ФСМ), дисперсии групповых скоростей (ДГС) в лазерном резонаторе. Использование объемных дифракционных решеток или расположение на длине лазерного резонатора участков световодов, ДГС которых имеет разные знаки, позволяет управлять режимами генерации лазера и получать при этом импульсы с варьируемыми в достаточно широких пределах длительностью, энергией, а также фор [251 мой и шириной спектра . Формирование импульсов в лазерах с пассивной синхронизацией мод можно [261 объяснить с помощью так называемой флуктуационной модели . Непрерывное лазерное излучение представляет собой суперпозицию мод резонатора с хаотическим распределением фаз, которые в результате дают набор флуктуаций интенсивности. Число мод и средняя длительность подобных флуктуационных импульсов определяются не только длиной резонатора, но также шириной спектра усиления активной среды. Действие насыщающегося поглотителя похоже на дискриминатор по интенсивности, то есть он пропускает флуктуационные импульсы высокой интенсивности, способной вызвать его просветление. При многократном проходе излучения через насыщающийся поглотитель выделяется один флуктуационный импульс, который кроме того усиливается в активной лазерной среде. Основным параметром насыщающегося поглотителя является время релаксации трел просветленного состояния, то есть время, за которое он восстанавливает свое первоначальное состояние. При достаточно коротком времени релаксации, меньшем интервала следования импульсов, селекция импульсов по интенсивности происходит более каче [271
ственно, кроме того осуществляется сокращение длительности импульсов . За время, равное нескольким обходам резонатора, наступает стадия насыщения усиления и полного просветления поглотителя. В результате чего остается только один импульс, циркулирующий в резонаторе
Тулиевый волоконный лазер с гибридной пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала
Плотность энергии насыщения полупроводникового насыщающегося поглотите j-eff г-0 ля rsat определяется плотностью энергии насыщения rsat и поглощением а материала, из которого изготовлен поглотитель, коэффициентов отражения Брэгговского Rsragg и внешнего зеркала Rout согласно уравнению : [l+jRgragg-R0Ut-exp{-2ad.y\ -4jRgragg-Rout-exp{-2adycos2(—j (1.2) 1-й reff — сО rsat rsat out здесь (p - сдвиг фаз, который приобретается импульсом за одно прохождение резонатора, d - толщина слоя поглотителя. Исходя из соотношения плотностей энергий насыщения материала и насыщающегося поглотителя, можно определить глубину модуляции AR, которая связана соот [871 ношением :
В случае антирезонансного режима работа SESAMа отношение плотности энергии насыщения материала к поглотителю очень велико, что достигается применением высокоотражающего внешнего зеркала. Это приводит к ослаблению электрического поля внутри поглотителя, а следовательно уменьшает глубину модуляции.
Изменение отражения SESAMа во времени при различной падающещей на него энергии излучения режиме глубина модуляции зависит от длины волны. Уменьшение !!""#" одновременно с увеличением глубины модуляции позволяет легко установить стабильную генерацию УКИ. Для того, чтобы избежать срыва режима пассивной синхронизации мод в режим модуляции добротности, рабочая энергия излучения должна быть значительно больше энергии насыщения SESAMа. Однако существенное увеличение падающей энергии на поглотитель приводит к изменению режима работы насыщающегося поглотителя (Рис. 1.2.2).При невысоких потоках энергии SESAM работает в режиме насыщения, быстрая компонента времени релаксации просветленного состояния при этом соответствует релаксации носителей при термолизации, а медленная - при их рекомбинации. При увеличении падающей энергии появляется дополнительная компонента длительностью 1 пс, что соответствует процессу охлаждения горячих носителей в слое поглотителя. Это свидетельствует о возникновении дополнительных механизмов поглощения в SESAMе, а именно двухфотонного поглощения и поглощения на свободных носителях . При дальнейшем увеличении падающего на SESAM потока энергии поглощение становится преобладающим, по сравнению с механизмом насыщения (Рис. 1.2.2). Взаимодействие насыщающегося поглотителя с излучением высокой режиме в работе и. Keller , так как поле внутри резонатора усиливается из-за многочисленных переотражений. Это, как уже упоминалось выше, позволяет уменьшить поток энергии насыщения, но также приводит к тому, что подобное взаимодействие становится критичным уже при небольших энергиях падающего излучения.
Ранее были представлены работы, в которых SESAM применялся для инициации [651 [941 [951 режима пассивной синхронизации в тулиевых волоконных лазерах . Лазеры были построены преимущественно линейной конфигурации резонатора. П/ [941 Минимальная длительность около 190 фс была получена в работе к.С. Sharp et.al. , однако недостатком продемонстрированной схемы является то, что она не являлась полностью волоконной.
Излучение эрбий-иттербиевого волоконного лазера накачки с цен тральной длиной волны генерации 1560 нм поступало в резонатор тулиевого лазера через волоконный мультиплексор, объединяющий излучение на длинах волн 1,56 и Рис. 1.3.1 Схема тулиевого волоконного лазера с линейной геометрией резонатора
Тт:световод - изотропный алюмосиликатный световод длиной 68 см, легированный ионами Tm3 ; КП - сдавливающий контроллер поляризации; ВЗС - волоконное зеркало Саньяка с коэффициентом отражения 58%; WDM - волоконный мультиплексор, объединяющий излучение на длинах волн 1,5 и 1,9 мкм; Ge02/Si02 световод - германо-силикатный световод переменной длины; SESAM - полупроводниковый насыщающийся поглотитель; изолятор - оптический изолятор, интегрированный световодом SMF-28; лазер накачки - эрбий-иттербиевый непрерывный одномодовый волоконный лазер 1,96 мкм в один порт. Активной средой лазера является изотропный световод длиной 68 см, легированный ионами тулия и алюминием концентрациями 0,8 вес.% и 3,6 вес.% соответственно {Ап = 0,012, диаметр сердцевины d 10 мкм, диаметр поля фундаментальной моды MFD = 9,6 мкм, длина волны отсечки второй моды Хс 2,2 мкм), ненасыщенное поглощение в котором на длине волны накачки 1550 нм составляет 60 дБ/м. Поглощение на длине волны генерации лазера 1960 нм равно 2,54 дБ/м.
Преформа для вытяжки световода была изготовлена МCVD методом. Измерение дисперсионного параметра D методом интерферометрии малой когерентности показало его монотонную зависимость в спектральном диапазоне 1,2 -2,1 мкм, при этом на центральной длине волны генерации 1,9 мкм дисперсия составила -81 пс /км.
Резонатор тулиевого лазера с одной стороны был образован линейным волоконным зеркалом Саньяка (ВЗС) с коэффициентом отражения 58% на длине волны X = 1960 нм, образованного путем сварки выходных портов 40%-ного волоконного от-ветвителя. Действие данного зеркала основано на конструктивной интерференции лучей, распространяющихся в противоположных направлениях по кольцу, проходя при этом равный оптический путь. Таким образом, коэффициент отражения зеркала зависит только от потерь, вносимых ответвителем, и коэффициента ответвления к согласно соотношению R = 1 — (2к — 1) .
Вторым зеркалом резонатора служил полупроводниковый насыщающийся поглотитель SESAM, обеспечивающий стабильную генерацию в режиме непрерывной пассивной синхронизации мод. Применяемый в данной лазерной схеме насыщающейся поглотитель выращивался методом молекулярно-лучевой эпитаксии на InP подложке легированной серой. Насыщающийся поглотитель состоял из InP слоя, двух слоев квантовых ям на основе GalnAsP толщиной 7 нм, разделенных InP барьером и поверхностного слоя, изготовленным из InP, толщиной 80 нм. Таким образом формировалось высокоотражающее зеркало, состоящее из 19,5 пар чередующихся слоев п -Cjao.47Ino.53As и InP. Процесс изготовления более подробно описан в работе М. также пассивным одномодовым световодом ЬМг-28 (p2 = -i- пс км, А = I960 нм), из которого были изготовлены мультиплексор и ВЗС, осуществлялась введением в резонатор участка одномодового германо-силикатного световода (GeCVSiCb-световод) с низкими потерями (менее 20 дБ/км на X = 1960 нм). GeCVSiCb-световод содержит 75 мол % оксида германия в сердцевине диаметром менее 2 мкм (z(w 0,ll,
Тулиевый волоконный лазер с гибридной пассивной синхронизацией мод с помощью одностенных углеродных нанотрубок и нелинейного усиливающего кольцевого зеркала
Данная глава диссертации посвящена реализации режима пассивной синхронизации мод в тулиевых волоконных лазерах с помощью углеродных одностенных нано-трубок, диспергированных в полимерные пленки. Лазеры построены в двух конфигурациях: кольцевой и -конфигурации на основе нелинейного усиливающего кольцевого зеркала. В ней описаны свойства ОУН и полимерных пленок с диспергированными ОУН, применяемых для реализации режима пассивной синхронизации мод. Описаны эволюция выходных параметров генерируемых импульсов, таких как длительность, ширина спектра, средняя мощность и параметр спектральной ограниченности, а также различные режимы генерации лазеров при варьировании суммарной внутрирезона-торной и внешней дисперсии. Рассмотрены свойства нелинейного усиливающего кольцевого зеркала в зависимости от линейного коэффициента отражения зеркала, дисперсии внутри кольца, а также входных параметров импульсов. Представлен метод гибридной синхронизации мод на основе ОУН и нелинейного вращения поляризации.
Одностенные углеродные нанотрубки в качестве насыщающегося поглотителя в лазерной схеме Одностенная углеродная нанотрубка (ОУН) представляет собой моноатомный слой графена, свернутый в цилиндр. Цилиндр оконцован половинками молекул фу ллерена, образуя закрытую структуру[38]. ординат (Рис. 2.1.1) . Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр.
Уникальным свойством ОУН является изменение плотности электрических состояний и ширины запрещенной зоны при изменении ее диаметра. На Рис. 2.1.2 изображены плотности одноэлектронных состояний для полупроводниковой нанотрубки ГП41Г1151 с хиральностью (6,5) , которые представляют собой набор дельта-образных макси мумов (сингулярностей Ван Хова), симметрично расположенных относительно уровня Ферми.
Электронные переходы могут происходить исключительно между симметричными относительно уровня Ферми сингулярностями Ван-Хова, при этом возможно поглощение кванта света с энергиями Е11, Е22, и т.д., соответствующими переходам из валентной зоны в зону проводимости. При наличии в образце ОУН одной геометрии спектр оптического поглощения представляет собой набор узких спектральных линий, расположенных на длинах волн, соответствующих энергетическим переходам Е11, Е22, и т.д. Однако добиться такой однородности ОУН достаточно сложно. Поэтому как правило, в материале присутствуют нанотрубки с широким распределением по диаметрам. В результате, спектральные линии отдельных нанотрубок формируют полосы поглощения Е11, Е22 и т.д. и спектр оптического поглощения состоит из набора спектральных линий, каждая из которых соответствует ОУН с определенной геометрией.
Двухмерный графит, из которого происходит формирование ОУН, является полуметаллом благодаря тому, что валентная зона и зона проводимости пересекаются только в определенных точках, лежащих в углах шестигранника зоны Бриллюэна в пространстве волновых векторов. Таким образом электронную структуру ОУН можно представить, как наложение периодических граничных условий на плоскость. Зона Бриллюэна ОУН представляет собой набор равноотстоящих друг от друга линий, расстояние между которыми зависит от диаметра трубки, и может быть вписана в зону Бриллюэна двумерного графита. В случае, если данные линии проходят через точку пересечения валентной зоны и зоны проводимости двумерного графита, нанотрубка является металлической. Во всех остальных случаях нанотрубка будет полупроводниковой. При этом ширина запрещенной зоны зависит от расстояния между точкой пересечения валентной зоны и зоны проводимости двумерного графита и ближайшей линией зоны Бриллюэна ОУН. Нанотрубка является металлической, если параметры ее хиральности удовлетворяют условию: п-т = 3N, где N - целое число [114].
Металлические нанотрубки могут выдерживать плотности тока в 102-103 раза выше, чем обычные металлы, что позволяет создавать прозрачные и тонкие провода на их основе. Полупроводниковые нанотрубки можно электрически включать и вы ключать посредством поля, генерируемого электродом, что позволяет создавать различные электронные устройства на их основе, например высокопроизводительные наноразмерные полевые транзисторы. Однако для этого необходима т щательная с е-лекция ОУН по типу проводимости, которая может быть реализована путем конструктивного разрушения или градиентного центрифугирования и электрофореза.
Метод комбинационного рассеяния является наиболее информативным при д иа-гностике углеродных структур. Он позволяет определить наличие ОУН в исследуемом образце, а также узнать распределение ОУН по диаметрам и типу проводимо-сти[116][117]. В области высоких частот 1500-1600 см-1 характерным признаком наличия ОУН является расщепление тангенциальной моды на две компоненты: низко- и высокочастотную, которые обозначаются G– и G+, соответственно (Рис. 2.1.3). При этом в случае полупроводниковых ОУН, G– компоненту относят к поперечным, a G+ –к продольным оптическим фононам[116]. Для металлических углеродных нанотрубок характерно уширение тангенциальной моды и смещение в область меньших частот. Однако, спектры комбинационного рассеяния, снятые при одной длине волны возбуждения не являются точными, поэтому для более полного описания прописываются спектры на нескольких длинах волн возбуждения.
Двухкаскадная схема тулий-иттербиевого волоконного усилителя
При мощности излучения накачки ниже 400 мВт ОУН играют доминирующую роль в инициации режима пассивной синхронизации мод и в процессе формирования импульсов. Выходные характеристики лазерного излучения при мощности излучения накачки 320 мВт представлены на Рис. 2.3.4. Лазер генерирует импульсы длительностью 620 или 650 фс при ширине спектра 6,7 и 6,2 нм со средней мощностью 27 мВт соответственно для образцов №1 и №2. Форма автокорреляционной функции интен-сивности, достаточно точно аппроксимируемая функцией seen , спектральные боковые максимумы Келли и обратная зависимость длительности импульса от энергии позволяют утверждать о генерации классических солитонных импульсов.
Следует отметить, что спектры излучения при применении обоих образцов имеют мелкую структуру, а именно набор минимумов, которые жестко привязаны к длине волны и имеют одинаковую интенсивность в каждом из спектров. Данные минимумы соответствуют линиям поглощения паров воды в атмосфере.
При увеличении мощности накачки модуль НЭП способствует сохранению стабильности режима пассивной синхронизации мод, препятствует срыву в режим модуляции добротности и при точной подстройке контроллеров поляризации поддерживает моноимпульсный режим генерации.
Максимальная средняя выходная мощность достигла 150 и 300 мВт в случае применения образцов ОУН №1 и №2 соответственно. В обоих случаях было обнаружено два состояния поляризации, при установке которых лазер генерировал стабильную непрерывную последовательность импульсов. В случае образца №2 лазер генерирует импульсы длительностью 600 фс или 1,28 пс с ширинами спектров 8,7 и 3,1 нм соответственно. Исходя из чего коэффициент спектральной ограниченности составил 0,412 и 0,317 соответственно, что говорит о незначительном чирпе, присущем более коротким импульсам. При генерации более коротких импульсов в спектре наблюдаются существенные боковые максимумы Келли, свойственные солитонным импульсам, которые содержат в себе значительную долю энергии излучения. Доля энергии, содержащаяся непосредственно в импульсе составляла 68%. Таким образом, энергия импульсов составила 3 и 4 нДж, а пиковая мощность – 3,19 и 4,88 кВт соответственно для импульсов длительностью 1,28 пс и 600 фс.
Аналогично в лазере с использованием полимерной пленки с диспергированными ОУН образца №1 существует два стабильных режима генерации, установление которых зависит от состояния поляризации. Происходит генерация импульсов длительностями 615 фс и 1,15 пс с шириной спектров 7,8 и 3,7 нм соответственно. Как и в случае применения образца №2 при генерации боле коротких импульсов в спектре наблюдаются интенсивные боковые пики, анализ которых показал, что импульс содержит 87% всей энергии излучения. Средняя мощность на выходе лазера достигла 143 мВт, что соответствует энергии импульсов в 2 нДж и пиковой мощности 1,71 и 2 кВт.
Таким образом, эффективность лазерной генерации составила 14 и 32,6% соответственно для образцов ОУН №1 и №2 (Рис. 2.3.6).
Наконец, были проведены серии экспериментов на исследование стабильности лазерной генерации при высокой мощности накачки. Лазер с использованием образца №2 полимерной пленки ОУН был установлен с помощью контроллера поляризации на 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Стабильность лазерной генерации с течением времени при мощности накачки 1,2 Вт и преустановленном режиме генерации импульсов длительностью 1,28 пс режим генерации импульсов длительностью 1,28 пс при мощности накачки 1,2 Вт и средней выходной мощности 300 мВт.
Стабильность лазера проверялась при работе его в течение рабочего дня (10 часов) в лабораторных условиях и при нескольких повторных включениях, выходах на высокую мощность генерации и выключениях. Лазер показал высокую стабильность выходных параметров в течение проводимого эксперимента. На Рис. 2.3.7 представлена эволюция выходного спектра, снятая с интервалом в 10 мин. При проведении данной серии экспериментов не было обнаружено существенной деградации полимерной пленки ОУН, заметных ухудшений качества спектра и формы автокорреляционной функции генерируемых импульсов или сбоя режима пассивной синхронизации мод.
При увеличении мощности, как было сказано выше, лазер работал стабильно в моноимпульсном режиме. Квантование импульсов увеличением мощности не наблюдалось. При сравнении пиковой мощности генерируемых импульсов с пиковой мощностью фундаментальных солитонов определяется порядок генерируемого соли [281 тонного импульса, который можно оценить с помощью уравнения :
Здесь п2 - нелинейный коэффициент, а Agff- эффективная площадь поля моды. Исхо-дя из данного уравнения коэффициент нелинейности световодов составил у= 0,76 Вт км .
Таким образом при применении образца полимерной пленки №2 с предустановленным состоянием поляризации 1, соответствующем генерации импульсов длительностью 1,28 пс, используя уравнение (2.4) порядок солитонов был оценен как N = 4,08. Для более коротких импульсов в случае состояния поляризации 2 - N = 2,36. Для образца полимерных трубок №1, N составил 2,72 и 1,85 соответственно для состояний поляризации 1 и 2.
