Содержание к диссертации
Введение
I. Генераторы суперконтинуума: составные части и физические механизмы генерации (по литературе) 12
1.1. Эксперименты по наблюдению суперконтинуума 12
1.2. Нелинейные явления в оптических волокнах, как источник уширения спектра 23
1.3. Постановка задач 34
II. Генерация суперконтинуума в пассивных оптических волокнах 35
2.1. Методы возбуждения и регистрации суперконтинуума 36
2.2. Генерация суперконтинуума в стандартных телекоммуникационных волокнах 38
2.3. Исследование волокон с фосфатной сердцевиной 46
2.4. Исследование высоконелинейных германосиликатных волокон 48
III. Спектральное преобразование в волоконных усилителях двухмикронного диапазона 55
3.1. Нелинейно-оптическое преобразование в гольмиевых волоконных усилителях 56
3.2. Гольмиевый волоконный усилитель 64
3.3. Генерация суперконтинуума в волокне, легированном ионами Tm3+ 67
3.4. Внутрирезонаторная генерация суперконтинуума 75
IV. Многокаскадное нелинейно-оптическое преобразование 82
4.1. Комбинированный генератор суперконтинуума на основе гольмиевого усилителя для наносекундной накачки 84
4.2. Многокаскадная генерация суперконтинуума в волокне, легированном ионами Tm3+ 88
4.3. Трансформация спектра в комбинированном генераторе при фемтосекундной накачке 90
Заключение 97
Список литературы
- Нелинейные явления в оптических волокнах, как источник уширения спектра
- Генерация суперконтинуума в стандартных телекоммуникационных волокнах
- Гольмиевый волоконный усилитель
- Многокаскадная генерация суперконтинуума в волокне, легированном ионами Tm3+
Нелинейные явления в оптических волокнах, как источник уширения спектра
Спектральное уширение и генерация новых частотных компонент являются неотъемлемыми частями нелинейной оптики. Данные явления интенсивно изучались с начала 1960-х годов. Процесс, известный как генерация суперконтинуума (СК), происходит, когда узкополосный задающий импульс претерпевает экстремальное спектральное уширение, приводящее к широкополосному спектрально непрерывному выходному излучению.
Генерация суперконтинуума была впервые представлена в 1970 г. Р. Альфано и С. Шапиро [10] в объемном стекле и с тех пор стала предметом многочисленных исследований в разнообразных нелинейных средах, включая твердые тела, органические и неорганические жидкости, газы и различные типы волноводов. При первом наблюдении генерации СК Р. Альфано и С. Шапиро сообщили о генерации белого света, покрывающего весь видимый диапазон от 400 до 700 нм,
а) Антистоксово излучение с основным лазерным пучком в центре щели; б) Кривая полного углового антистоксова излучения от 4000 до 5300 ангстрем [10]. после прохождения 5 мДж пикосекундных импульсов с длиной волны 130 нм в объемном стекле BK7. Вскоре после этого подобные результаты были независимо представлены Н.Г. Бондаренко и др. [11]. Важно отметить, что нелинейное спектральное уширение лазерного излучения не было новым явлением на тот момент, так как наблюдалось ранее в 1963 [12]. Фактически, У. Джоунс и Б. Стойчефф в 1964 году [13] применили относительно узкий «континуум» света в экспериментах, связанных с измерением обратной рамановской спектроскопии. Значительное спектральное уширение также было обнаружено в CS2 в 1967 году [14]. Основным нелинейным процессом, приводящим к спектральному уширению была фазовая самомодуляция (ФСМ). Однако эксперимент Р. Альфано и С. Шапиро, в котором было описано четырехволновое смешение, стал уникальным благодаря многократному увеличению протяженности спектра генерируемого света -более чем в 10 раз. Данный результат превосходил все, что было представлено ранее.
Термин «суперконтинуум» впервые был предложен Дж. Мэннассой [15, 16] спустя более чем 10 лет после экспериментов Р. Альфано и С. Шапиро. Тем временем, явление генерации СК называли сверхуширением [17], аномальным частотным уширением [18], или континуумом белого света [19].
Несколькими научными группами было показано, что самофокусировка является ключевым моментом для генерации СК в объемных средах, так как наблюдалось, что порог СК совпадал с критической мощностью для катастрофического сжатия (коллапса) среды, соответствующий образованию автолокализованных филоментов. Коллапс пучка приводит к взрывному увеличению пиковой интенсивности, что повышает эффективность ФСМ, а также дает начало ряду нелинейных процессов более высоких порядков, включая самосжатие, пространственно-временную фокусировку [20], многофотонное поглощение, лавинную ионизацию и формирование плазмы свободных электронов [21]. В частности, в работе [18] утверждалось, что генерация СК соответствовала «существенной деформации импульсов внутри филамента, которая должна приводить к сжатию заднего фронта импульса». ФСМ, связанная с очень резким наклоном фронта импульса, объясняет в этом случае широкую протяженность спектра СК объемной среды в синюю (коротковолновую) область относительно накачки. В 1973 году также было отмечено в работе Бломбергена [21], что эффект дефокусировки в электронной плазме мог бы привести к подобному явлению.
Однако вплоть до работы [21], не появлялось удовлетворительного объяснения, подтвержденного трехмерным моделированием распространения света. На данный момент принято, что генерация СК в объемных материалах связана с формированием оптического удара на заднем фронте импульсов накачки из-за пространственно-временной фокусировки и самосжатия, подтверждая ранние идеи В. Вернке и др. Ролью многофотонного поглощения и формирования плазмы является приостановка коллапса пучка и предотвращение оптического пробоя материала. Вероятность возникновения автолокализованных филоментов при распространении излучения зависит от длительности импульса и относительной величины хроматической дисперсии, самофокусировки и плазменной дефокусировки [22]. Данный сценарий согласуется со всеми известными наблюдениями, включая зависимость СК от ширины запрещенной зоны материала [23]. Так в материале с маленькой шириной запрещенной зоны, самофокусировка останавливается при меньших интенсивностях дефокусировкой на свободных электронах, что предотвращает формирование удара.
Очевидно, что генерация СК в объемных материалах является очень сложным процессом, включающим различные связи между пространственными и временными эффектами. В отличие от них, генерация СК в оптических волокнах включает чисто временные динамические процессы с поперечными модовыми характеристиками, определяемыми только линейными волновыми свойствами.
Генерация континуума при накачке 25 пс импульсами на длине волны 532 нм с интенсивностью 1.5 ГВт/см2 волокне длиной 15 метров [15]. Первые эксперименты по генерации СК в оптических волокнах были проведены с применением импульсной накачки высокой мощности в видимом диапазоне в световодах на кварцевой основе с длиной волны нулевой дисперсии групповых скоростей (ДГС) около 1.3 мкм. В частности, К. Лин и Р. Стоулен в 1976 году [24] использовали импульсное излучение в видимом диапазоне длительностью 10 наносекунд и максимальной пиковой мощность 1 кВт от лазера на красителях, которое распространялось в волокне с диаметром сердцевины 7 мкм и длиной 20 м. В результате была получена генерация СК в длинноволновой области, относительно накачки, спектральной шириной более 200 ТГц. Наблюдаемое спектральное уширение объяснялось каскадным ВКР и ФСМ. Последующие эксперименты, использующие импульсную накачку видимым излучением в диапазоне от 10 пс до 10 нс показали подобные результаты. В экспериментах, осуществленных в 1987 г., 25-пикосекундные импульсы на длине волны 532 нм вводились в волокно длиной 15 м, поддерживающее четыре пространственные моды на этой длине волны[25]. Как видно из рис. 2,
Генерация суперконтинуума в стандартных телекоммуникационных волокнах
Как было отмечено ранее, процесс вынужденного комбинационного рассеяния играет значительную роль в генерации суперконтинуума. Следовательно, использование волокон с различными ВКР-сдвигами является важным аспектом в изучении эффектов, влияющих на форму и протяженность спектра выходного излучения.
При создании ВКР лазеров довольно часто применяется волокно с сердцевиной, легированной оксидом фосфора. Молекулы оксида фосфора P2O5 в сердцевине позволяют изменить ВКР-сдвиг с 440 см-1 до 1333 см-1. Соответственно, можно ожидать трехкратное сокращение ВКР каскадов, что должно привести к повышению эффективности генерации суперконтинуума.
Схема генератора СК отличалась от предыдущей лишь заменой стандартных волокон на волоконный световод с сердцевиной, изготовленной из фосфорно-силикатного стекла. Молярная концентрация примеси P2O5 составила 13 %, при этом потери на длине волны накачки были сопоставимы со стандартными образцами. В ходе экспериментов использовались волокна длиной не более 15 метров, так как потери в длинноволновой области для них были близки к стандартным волокнам, рассмотренным в предыдущем разделе.
Спектр выходного излучения для двух (12 и 10 метров) длин представлен на рис. 19. Форма выходного излучения имеет общие сходства с предыдущими случаями. Однако присутствует несколько важных особенностей. Первая заключается в небольшом провале между пиком, который соответствует накачке и первым стоксом, который сдвинут на 1330 см-1. Наличие данного провала говорит об отсутствии промежуточных стоксов, характерных для стандартных оптических волокон. Второй особенностью является обрыв спектра на 2350 нм. Данный факт является результатом резкого возрастания потерь в длинноволновой области, так как колебательные переходы сдвигаются в область меньших длин волн.
Уменьшение количества каскадов вынужденного комбинационного рассеяния привело к лучшему перераспределению энергии в длинноволновой области, что хорошо видно из спектра суперконтинуума. Однако возросшие потери не позволяют получить спектр с большей длиной волны генерации. Таким образом, волокно подобного типа может стать неплохой основой для источников супер континуума в области 2000-2300 нм. 2.4 Исследование высоконелинейных германосиликатных волокон
При работе с излучением с длиной волны более 2 мкм в волокнах на силикатной основе существенную роль играют оптические потери. Которые, в первую очередь, приводят к уменьшению суммарного коэффициента усиления при нелинейном преобразовании. Он включает две основные величины - коэффициент усиления вынужденного комбинационного рассеяния и коэффициент поглощения в волокне. Следовательно, для наиболее эффективного преобразования излучения требуются световоды со специальными характеристиками. К ним можно отнести волокна с большим содержанием оксида германия в сердцевине. Так как основным фактором, приводящим к потерям, является поглощение на краю полосы, обусловленной колебательным уровнем молекул стекла, то легирование более тяжелыми элементами приводит к сдвигу данного уровня в область больших длин волн.
Зависимость параметра дисперсии 2 для волокна с высоким содержанием оксида германия в сердцевине, стандартного телекоммуникационного волокна.
Оптические волокна с сердцевиной сильно легированной оксидом германия имеют ряд особенностей по сравнению со стандартными оптическими волокнами. В первую очередь, это меньшие потери в длинноволновой области, что хорошо видно из спектра оптических потерь на рис.20, где пунктирной линией обозначены потери в стандартном одномодовом телекоммуникационном волокне SMF-28, а непрерывной - для волокна, легированного оксидом германия. Второй особенностью являются большие коэффициенты рамановского усиления и нелинейности.
Более высокие значения данных параметров приводят к более эффективному преобразованию мощности задающего лазера. На рисунке 21 приведены дисперсионные кривые для стандартного одномодового волокна, кривая 1 и для 2 волокна с 64-процентной концентрацией оксида германия в сердцевине. Как видно из графиков, для обоих случаев дисперсия была сугубо аномальная, однако, для германатных волокон значение дисперсии на длине волны накачки ближе к нулю, что говорит о возможном уширении в коротковолновую область.
В качестве нелинейной среды для генерации суперконтинуума рассматривались образцы германатных волокон на кварцевой основе: одномодовое волокно с молярной концентрацией германия 90% и диаметром сердцевины 2-4 мкм, а также многомодовое волокно с концентрацией германия 64 % и диаметром сердцевины 5-6 мкм.
В ходе основных экспериментов использовались образцы многомодового волокна с концентрацией германия 64 % различной длины от 7 до 11 метров, так как в спектральной области за 2 мкм потери резко возрастают [76]. В тоже время малая длина волокна приведет к недостаточной длине взаимодействия и отсутствию длинноволновой генерации.
Гольмиевый волоконный усилитель
Выше были рассмотрены случаи генерации при использовании волоконных усилителей. Активная среда одновременно являлась и областью нелинейного преобразования импульсов. Однако диапазон усиления и длина волны инициирующих суперконтинуум импульсов были разнесены по спектру. И имело место быстрое затухание импульса накачки. В ходе работы по изучению тулиевого волокна, как самонасыщающегося поглотителя для иттербиевого волоконного лазера, было замечено, что импульсы получаются с большой пиковой мощностью, но не достаточной для генерации супекронтинуума. Поэтому было решено поместить среду для нелинейного преобразования импульсов непосредственно в резонатор лазера.
Общая схема внутрирезонаторной генерации суперконтинуума. Прежде всего, стоит подробнее рассмотреть иттербиевый лазер с насыщающимся поглотителем. По аналогии с основным источником накачки, который используется в данной работе, было использовано тулиевое волокно с высокой концентрацией ионов в сердцевине. Спектр пропускания данного волокна представлен на рис. 45. 0,1
Как видно из рисунка, основная доля поглощения приходится на 1210 нм, однако для модуляции добротности будет достаточно поглощения на 1125 нм.
Схема лазера с самонасыщающимся поглотителем на основе волокна с высоким содержанием ионов тулия в сердцевине. Перекрытие области усиления ионов иттербия и поглощения ионов тулия сделало возможным создание импульсного лазера на самонасыщающемся тулиевом поглотителе. В результате был получен импульсный режим генерации на длине волны 1125 нм. Спектр выходного излучения представлен на рис. 47.
В диапазоне от 1000 до 1300 нм наблюдались три мощных пика: 1125 нм - лазерная генерация, 1075 нм - усиленная иттербием антистоксовая компонента вынужденного комбинационного рассеяния, 1180 нм - стоксова компонента ВКР. Появление стоксовой и антистоксовой компонент говорило о высокой пиковой мощности полученных импульсов. Одиночный импульс представлен на рис. 48, последовательность импульсов представлена ниже (рис. 49). Импульсы имели сложную структуру, которая может быть объяснена нелинейными процессами, приводящими к расщеплению импульса. Их длительность по полувысоте составляла около 30 нс. 1, 0,8
Импульсы иттербиевого лазера с самонасыщающимся поглотителем.
Последовательность импульсов характеризовалась довольно сильным джиттером по амплитуде и частоте. Данный факт хорошо заметен на рисунке 49. Это может быть вызвано неоптимальной работой самонасыщающегося поглотителя в данном диапазоне.
Последовательность импульсов. На рис. 50 показана зависимость частоты следования импульсов от мощности накачки. 32 30 28 26 24 22 20 18 6 8 910 Мощность накачки, Вт Рис. 50. Зависимость частоты следования импульсов от мощности накачки. Так как ее график близок к прямой линии, а длительность импульсов была постоянна, то можно судить о том, что лазер работает в режиме модуляции добротности.
Рис. 51. Спектр излучения после высокоотражающей решетки. Также был рассмотрен спектр излучения после HR-брегговской решетки (рис. 51). На данном рисунке отчетливо видна возможность уширения в длинноволновую область. Для более эффективной реализации преобразования спектра необходимо было увеличить длину среды. Таким образом, к выходному торцу лазера было приварено волокно длиной 30 метров с диаметром сердцевины 6 мкм.
Для уменьшения истощения накачки на выходе из дополнительного волокна была приварена вторая HR-брегговская решетка на 1125 нм. Схема полученного источника представлена на рис. 52.
В результате на выходе было получено излучение в диапазоне от 1100 до 1600 нм. Спектр представлен на рис. 53. Как видно, он состоит из шести каскадов вынужденного комбинационного рассеяния. Характерной особенностью является переход от области нормальной в область аномальной дисперсии, которая приводит к смене отчетливых пиков комбинационного рассеяния к более размытым с увеличением длины волны. Следовательно, доминирующим эффектом является вынужденное комбинационное рассеяние. Однако недостаточная мощность импульсов не позволила получить большее уширение. 0,1
Также показана возможность внутрирезонаторной генерации широкополосного (1100 - 1600 нм) импульсного излучения. Внутри-резонаторная генерация суперконтинуума приводит к уменьшению истощения накачки инициирующего импульса, что позволяет получить широкополосный источник при меньшей пиковой мощности инициирующих импульсов. Глава IV
Многокаскадное нелинейно-оптическое преобразование В предыдущей части работы были рассмотрены схемы генерации широкополосного излучения с использованием высоконелинейных волокон, в частности, с высокой концентрацией оксида германия в сердцевине, а также активных волокон, легированных ионами тулия и гольмия. В случае высоконелинейных волокон была достигнута максимальная длинноволновая компонента излучения и высокая степень преобразования излучения в область спектра более 2 мкм. Применение активных волокон и дополнительной накачки позволило получить усиленные компоненты супер континуума наряду с нелинейным преобразованием. Замечательным фактом стало увеличение спектральной плотности мощности выходного излучения.
В дальнейшем исследовании было решено скомбинировать два подхода в многокаскадную схему генерации суперконтинуума. В ходе исследований были рассмотрены различные схемы с применением как тулиевого, так и гольмиевого активного волокна. Была проведена оптимизация схем первого (высоконелинейного) и второго (усиливающего) каскадов. Общая схема представлена на рис. 54.
Многокаскадная генерация суперконтинуума в волокне, легированном ионами Tm3+
В результате данной работы был реализован многокаскадный фемтосекундный источник суперконтинуума на основе гольмиевого волоконного усилителя. Форма выходного спектра контролировалась накачкой гольмиевого волоконного усилителя. Максимальная средняя мощность в районе 2000 нм составляла около 400 мВт. Подобный тип источников может иметь широкое применение, в частности, для исследований в медицинской области.
Важными характеристиками источников суперконтинуума являются: длительность и частота следования импульсов, спектральная ширина и плотность излучения. Поэтому одним из интересных вопросов является изучение эволюции излучения в зависимости от длительности импульсов. В данной работе рассмотрены два режима: фемтосекундный и наносекундный. При этом общая структура источников суперконтинуума была сохранена. Основное отличие заключалось в параметрах задающих генераторов.
В первом случае в качестве задающего генератора был использован эрбиевый волоконный лазер, работающий в режиме модуляции добротности со значением пиковой мощности около 6 кВт и длительностью импульсов 35 нс. Во втором, была собрана схема с задающим генератором, работающим в режиме синхронизации мод. Для увеличения пиковой мощности выходное излучение данного лазера запускалось в эрбиевый волоконный усилитель. Далее излучение распространялось в германатном световоде, где происходило нелинейное преобразование. Гольмиевый волоконный усилитель использовался для трансформации полученных спектров суперконтинуума и увеличения плотности мощности в области 2000-2200 нм.
Для наносекундных импульсов, кроме усиленного спектра суперконтинуума получена каскадная ВКР-генерация в области аномальной дисперсии (Рис. 58). В случае фемтосекундных импульсов уширение спектра не такое значительное (Рис. 65). Данные отличия могут быть вызваны различными режимами ВКР процесса. Заключение
Основными результатами и выводами настоящей диссертационной работы являются:
1. Показано, что длинноволновая граница генерации суперконтинуума при накачке наносекундными импульсами для стандартных телекоммуникационных волокон составляет 2400 нм. Впервые продемонстрировано, что волокне, с высокой концентрацией оксида германия в сердцевине, спектр суперконтинуума достигает 2750 нм.
2. Впервые получена эффективная генерация суперконтинуума в гольмиевых волоконных усилителях в диапазоне 2000-2500 нм со спектральной плотностью мощности более 10 Вт/нм.
3. Исследована генерация суперконтинуума в тулиевых волоконных усилителях с различными способами накачки (1200 нм и 1595 нм). Получены спектры суперконтинуума в диапазоне 1700-2800 нм со спектральной плотностью 3 Вт/нм. В волокнах с высокой концентрацией ионов тулия обнаружено усиление в области 2100– 2450 нм, которое свидетельствует о возможности оптического перехода 3H43H5. Заселение уровня 3H4 может объясняться кооперативными эффектами.
4. Впервые предложены и реализованы многокаскадные нелинейно-оптические преобразователи спектра. Длинноволновая граница для схемы германатное волокно - гольмиевый усилитель достигла 2700 нм, а плотность мощности 8 Вт/нм. Была обнаружена зависимость формы спектра выходного излучения от уровня накачки и состава схемы генератора. Показана возможность создания суперконтинуума с заданной формой спектра.
5. Впервые проведено экспериментальное сравнение двух режимов генерации супекронтинуума для многокаскадных систем -наносекундного и фемтосекундного. Обнаружено, что при сходных схемах генераторов и близких уровнях пиковой мощности инициирующих импульсов, в спектрах наблюдается существенное отличие. Несоответствие спектральных форм вызвано различными режимами процессов ВКР и возможным увеличением пиковой мощности в режиме наносекундной накачки за счет модуляционной неустойчивости.
