Введение к работе
Актуальность работы. В последние двадцать лет чрезвычайно интенсивно развивалась волоконная оптика. Совершенствование технологии получения световодов и разработка теории распространения волн в направляющих средах привели к созданию световодов с предельно малыми "іотерями. Этот факт, в свою очередь, инициализировал создание волоконно-оптических линий связи с большими скоростями передачи информации. При повышении мощности излучения, вводимого в волоконный световод, начинают играть существенную роль нелинейно-оптические явления, причем з различных диапазонах'длительностей лазерных импульсов, вводимых в световод, доминируют различные нелинейные э,*1фекты.
Интерес к изучению нелинейно-оптических явлений в волоконных световодах был прежде всего связан с необходимостью их подавления в волоконно-оптических линиях вязи, ка вредных эффектов, вносящих дополнител1..;ые помехи. Однако в последнее время открываются широкие возможности полезного применения нелинейно-оптических эффектов в световодах. Такие возможности прежде всего связаны с Г ^алиэацией солитонного режима распространения импульсов, с использованием нелинейных эффектов для компрессии световых импульсов, для перестройки длины волны излучения.
В пикосекундном и фемтосекундном диапазонах д-.лтельностей импульсов большое значение имеет вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), Световоды на осьове плавленого кварца обладают очень широкими линиями "сил-чия ВКР. Наличие широкой полосы усиления представляет принципиальную возможность формирования сверхкоротких (фемтосекундкых) импульсов света с использованием эффекта ВКР. Следует отметить, что формирование импульсов фемтосекунд-
го диапазона длительностей является одной из важных проблем со-еменной квантовой электроники. Это связано в первую очередь с зможностью их перспективного практического использования в во-конных линиях связи с большой скоростью передачи информации. ца из возможностей формирования фемтосекундных импульсов связа-l с реализацией в световодах необычного режима ВКР, называемого иужденным ко"бинационным саморассеянием (ВКС). При ВКС лазерных шульсов более низкочастотные (стоксовы) спектральные компонен-і импульса усиливаются в поле его более высокочастотных (анти-,'оксовых) компонент, что привг-чт к смещению несущей частоты «пульса в стоксову область спектра. Существенным в этом случае зляется то, что использование ВКС позволяет не только получать тульсы сверхкороткой длительности, но что такие импульсы близ-1 по звоим свойствам к фундаментальным солитонам. Кроме ~гого {Р в волоконных световодах может быть использовано для создш.ля зрестраиваемых по частоте ВКР-лазеров фемтосекундных импульсов.
Существующие настоящему времени эксперименты по Е? в од-эмодовых световодах выявили разнообразие наблюдаемых режимов Р. Так в области положительной дисперсии групповых скоростей ветоводов (гті"7*0 ) наблюдалась каскадная генерация последо-ательных, дискретных, стоксовых компонент ВКР, а в области от-
ицательной дисперсии г^0 возможна генерация спектральных
онтинуумов. Предложенные к началу работы над диссертацией теоре-ические модели ВКР в световодах не описывали вг-> мнг-'ообразие кспериментальных данных.
Значительное количество работ по исследованию ВКР в оптичес-их волокнах выполнено как за рубежом, так и в нашей странео Од-ако ряд вопросов теории ВКР в волоконылс световодах не был до-таточно изучен. Поэтому целью диссертации явилось детальное те-
оретическое исследование спектральных свойств ВКР (и в частности ВКС) в одномодовых волоконных световодах, исследование временных характеристик ВКР и анализ возможностей генерации фемтосекундных солитонных импульсов с помощью ВКС как при импульсном, так и непрерывном излучении накачки; анализ взаимного влияния ВКР и параметрических эффектов в световодах (в частности, исследование процесса параме'тзического подавления ВКР); создание теоретической модели и исследование генерации фемтосекундного синхронно-накачиваемого волоконного ВКР-лаэера с компенсацией дисперсии.
Задачами диссертационной работы, решение которых необходимо для достижения поставленной цпи, являлись:
-
Исследование методами численного моделирования динамики распространения многосолитонных импульсов в области отрицательной дисперсии групповых скоростей световодов с учетом эффекта вынужденного комбинационного саморассеяния (ВКС).
-
Анализ методами численного моде-ирования различных режимов формировани"! спектров ВКР из спонтанных шумов при непрерывном излучении накачки в областях отрицательной и положительной диспер сий групповых скоростей световодов. А также изучение возможностей генерации солитонных импульсов с помощью ВКР.
-
Теоретическое исследование влияния ВКР нелинейности на процесс модуляционной неустойчивости излучения в одномодовых световодах на основе кварцевого стекла. Анализ возможностей подавления ВКР за счет параметрического взаимодействия в одномодовых световодах.
-
Теоретическое исследование работы волоконно-оптического компрессора сверхкоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов.
-
Построение теоретической модели и численный анализ работы синхронно-накачиваемого волоконного ВКР лазера фемтосекундных
- б -
'льсов с компенсацией дисперсии. Определение оптимальных режи-генерации сверхкоротких импульсов. Научная новизна диссертационной работы.
-
.Рассчитана динамика распада шогосолитонных импульсов за г эффекта БКС. В расчетах впервые использована известная из перчменте. jHkx исследований спектральная зависимость для нели-но-оптическчй восприимчивости, ответственной за ВКР. Произвэде-сравнение эффзктаыости БКС в различных спектральных областях персии групповых скоростей световодов.
-
Численно исследована динамика формирования спектров БКР
і монохроматической накачке как в области пологкителькои диспер-I групповых скоростей, так и в области отрицательной дисперсии 'пповых скоростей. Определены условия и физические механизм, і которых происходит либо каскадная генерация последовательных жсовых компонент ВКР, либо генерация спектральных континуу эв зтоксовой области спектра, что позволяет списывать мкогочислен-з экспериментальные данные.
-
Аналитически исследовано параметрическое усиление стоксо-й и анти-стоксовой компонент в поле монохроматической накачки учетом спектральной завиилмости нелинейно-оптической восприим-вости ответственной за ВКР и получено выражение для инкремента иления. Исследовано влияние ВКР нелинейное!., на спектральную внеиыость и величину инкремента усиления модуляционной ноустой-вости.
-
Предложена и исследована теоретическая модель синхронно-качиваемого волоконного ВКР лазера фемтосекундных импульсов с мпенсацией дисперсии. Определены оптимальные условия стабильноі. иерации фемтосекундных импульсов.с большим коэффициентом преоб-ізования по энергии.
Автор защищает:
-
Представлена теоретическая модель самовогдействия излуче ния в одномодовом волоконном световоде, позволяющая учесть извес тную из эксперимента зависимость от частотного сдвига i-г<0 к показано что эффект вынужденного комбинационного саморассеяния (ВКС) приводит к распаду связанного состояния солитонов. В результате фор мируются интенсивные солитонные фемтосекундныа импульсы, несущая частота каждого из которых непрерывно смещается в длинноволновую область спектра з? счет ВКС. Показано, что в области положитель-ной дисперсии групповых скоростей световодов S_2\~уг , рассогла' сование фаз спектральных компонент импульсов приводит к неэффективности эффекта ВКС в этой спектральной области. .
-
В резуль.ате численного моделирования динамики ВКР при непрерывном излучении накачки обнаружено, что в случае развития генерации ВКР в области положительной дисперсии групповых скорое-те'! световодов *? ^. yQ происходит только каскадная генерация последовательных стоксовых компонент ВКР, а в спектральной облас-ти г-^ К О характер режима ВКР определяется величиной отношенш начальной мощности накачки X. к мощности фундаментального солите на -LQ с длительностью порядка обратной ширины линии ВКР усиление X /Х- Показано, что при "X /у
ция последовательных стоксовых компонент ВКР, а при Л. /JC ^ Л. происходит формирование широких спектральных континуумов с шириной более 1000 см" . Во временном представлении спектральные континуумы являются случайными последовательностями солитоноподобньтх
импульсов (то есть соотнесение меяду интенсивностью и длительностью таких импульсов ссотгетствует известному соотношению для фундаментального солитока).' Пок-зано, что наиболее оптимальный режим генерации солитокных нмпульсо:. методом спектральной фильтрации на стоксовой частото реализуется при условии -С /«-.
-
Из аналитического енализа взаимного сияния параметрических аффектов и ВКР в одномодовнх световодах'получено выражение для когффициекта усиления ВКР с учетом чзтырехфстонных процессов. Пблучзникз теоретические результати количественно совпадают с экспериментальными данными по пагамзтричаскому подавлении Bet? в сва-тозодлх. Рассчитана динамика спектров з режиме параметрического подавления БКР, Построена теория эффекта модуляционной неустойчивости (1.5Н) излучения с учетом ВК? нелинейности. Рассчитаны зависимости максимального коэффициента усиления МН и соответствующего ему частотного едвигь от интенсивности накачки. Показано, что влияние ЕКР нелинейности приводит к скачкам в зависимости частотного сдвига, соответствующего максимуму усиления, от интенсивности нэкачки. Продемонстрировано, что известная ранее теоретическая модель эффекта модуляционной неустойчивости, пренебрегающая влиянием ВКР нелинейности, дает завышенные величины как максимального коэффициента усиления при НИ, так и частотного гцвига, соответствующего максимуму усиления.
-
Разработана теоретическая модель сиихрокно-какачиваемого световодного ВКР лазера с компенсацией дисперсии. Методами численного моделирования произведен анализ развития лазерной генерации
с уровня спонтанных шумов. Показано, что попе первых нескольких проходов излучения по резонатору лазера частотная модуляция импульса ЕКР линеаризуется за счет эффекта фазовой кросс-модуляции, что приводит к сжатии импульса во внутрирезонаторной дисперсной-
ной линии задержки. Эффективность преобразования энергии накачк в энергии'импульсов ВКР в расчетах составила 80$. Были установ лены следупцие основные характеристики генерации данного лазера
а) Оптимальный режим генерации фемтосекундных импульсов бе
пьедестала реализуется при малых величинах коэффициента обратно
связи и большом усилении на проход по резонатору.
б) В стационарном режиме генерации лазера на выходе светов
да внутри резонатора лазера формируется импульс ВКР с линейной
частотной модуляцией, причем формы огибающей и спектра такого и
пульса близки к прямоугольной.
в) Режим стационарной генерации устанавливается после перв:
нескольких десятков проходов излучения по резонатору лазера.
Практическая ценность работы.
Проведенные в диссертационной работе исследования расширяю представления о процессе ВКР в световодах. Выполненные численим расчеты динамики формирования спектров при ВКР лазерного излуче; ния в одно;йодовых волоконных световодах представляют возможное?; интерпретации физических экспериментов по наблюдению различных режимов ВКР.
Полученные теоретические результаты позволят выбирать пар» метры эксперимента для генерации феытосекундных солитонов с пом< щью эффекта вынужденного комбинационного саморассеяния.
Проведенный анализ параметрического подавления ВКР в световодах делает возможным определение условий существенного увеличе ния степени спектрального уширения импульсов за счет фазовой са-моыодуляцни и увеличения, таким образом, степени компрессии импульсов в волоконно-решеточных компрессорах.
Разработанная теоретическая модель синхронно-накачиваемого волоконного ВКР лазерр с компенсацией дисперсии позволяет опреде
лить условия экспериментальной реализации режима стабильной генерации фемтосекундных импульсов без пьедестала с помощью данного лазера.
Апробация результатов.
Материалы диссертации были представлены на ХУІ Международной конференции по квантовой электронике (IQHc-88, Токио, 1988 \ УІ Международной конференции по сверхбыстрым процессам CXCVP -88, Токио, 1988), ХШ Международной конференции по когерентной и нелинейной оптика (Минск, 1988), Международной конференции по прикладной оптике (Прага, 1989), Международной конференции по интегральной фотонике (США, 1990), Всесоюзном семинаре "Нелинейно-оптическая компрессия лазерных импульсов" (Вильнюс, 1988), Международном семкнаре по нелк :ейной волоконной оптике (Бельгия, Монс, 1990), неоднократно докладывались на семинарах отдела волоконной оптики И09 АН СССР.
Структура и объем работы
Диссертация состоич из введения, шести глав и заключения. Содержит 1НН страниц машинописного текста, ЗҐ рисунков и список литературы из 97 наименований.
