Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Микроструктурированные волоконные световоды (МВС) (по литературе) 8
1.1 Структура и основные свойства МВС 8
1.2 Методы изготовления МВС 13
1.3 Методы измерения хроматической дисперсии 16
1.4 Четырехволновое смешение в МВС 31
1.5 Постановка задачи 34
Глава 2. Экспериментальная методика исследования дисперсионных свойств ВС 36
2.1 Выбор метода измерения 36
2.2 Экспериментальная установка 37
2.3 Экспериментальные результаты 47
2.4 Выводы к главе 2 58
Глава 3. Исследование влияния технологических условий изготовления заготовки МВС на его дисперсионные свойства 59
3.1 Отработка технологии изготовления заготовок МВС. Оценка геометрических параметров получаемых отверстий в кварцевом стекле при механическом сверлении 59
3.2 Волноводные характеристики МВС с двумя слоями отверстий в оболочке 71
3.3 Численный анализ влияния вариаций геометрических параметров структуры на дисперсионные свойства МВС с малым числом слоев отверстий в оболочке 79
3.4 Выводы к главе 3 82
Глава 4. Четырехволоновое смешение в МВС 84
4.1. Образцы и экспериментальные методики 84
4.2. Параметрическое преобразование частоты Результаты и обсуяедение 91
4.3 Внутрирезонаторное преобразование спектра в волоконном лазере с самомодуляцией добротности и с использованием МВС 106
4.4 Выводы к главе 4 113
5. Заключение 114
Благодарности 115
Литература 116
- Методы измерения хроматической дисперсии
- Волноводные характеристики МВС с двумя слоями отверстий в оболочке
- Численный анализ влияния вариаций геометрических параметров структуры на дисперсионные свойства МВС с малым числом слоев отверстий в оболочке
- Внутрирезонаторное преобразование спектра в волоконном лазере с самомодуляцией добротности и с использованием МВС
Введение к работе
Прогресс волоконной оптики как одной из областей квантовой электроники во многом определяется появлением новых типов волоконных световодов и развитием технологии их производства. Так, появление одномодовых волоконных световодов позволило сделать качественный скачок в волоконно-оптической связи. Создание волоконных световодов, легированных активными элементами, фактически привело к созданию новой области квантовой электроники, связанной с волоконными лазерами и усилителями. Новые возможности развития волоконной оптики появились и в связи с разработкой технологии получения микроструктурированных волоконных световодов.
Волноводные свойства стандартных волоконных световодов (ВС) на основе кварцевого стекла обеспечиваются эффектом полного внутреннего отражения. Для достижения полного внутреннего отражения необходимо, чтобы показатель преломления сердцевины (nj) был больше чем, у окружающей среды (оболочки П2): ni n2. Как правило, это достигается легированием материала сердцевины добавкой, повышающей показатель преломления сердцевины и/или легированием материала оболочки добавкой, понижающей показатель преломления. В течение последнего десятилетия исследования по созданию новых материалов привели к созданию так называемых микроструктурированных световодов.
Микроструктурированный волоконный световод (МВС) представляет собой стеклянную микроструктуру с периодически или апериодически расположенными воздушными отверстиями. В настоящей работе исследуются световоды, в которых отверстия располагаются вокруг центральной части структуры (сердцевины), понижая эффективный показатель преломления и формируя, таким образом, отражающую оболочку волновода. Сердцевина таких световодов состоит из чистого кварцевого стекла или стекла с добавками других элементов. Следует отметить, что волноводный режим может быть также обеспечен за счет высокой отражательной способности оболочки волокна в области фотонных запрещенных зон. Такие режимы волноводного распространения реализуются в волоконных световодах с оболочкой в виде двумерно-периодической микроструктуры (двумерного фотонного кристалла) и полой сердцевины. Изучение таких световодов является отдельной темой и не входит в данную работу.
Исторически, оптические волокна, у которых в оболочку введены воздушные отверстия, распространяющиеся в осевом распространении, были известны с самого начала исследований кварцевых волоконных световодов. Р. V. Kaiser and Н. W. Astle [1] в своей работе 1974 года продемонстрировали первое волокно из плавленого кварца с низкими для того времени потерями. В изготовленной структуре очень маленькая сердцевина держалась на тонких мостиках из плавленого кварца в окружении воздуха.
Однако вплоть до 1996 года эти работы не находили развития, так как основное внимание уделялось разработке обычных ВС для целей телекоммуникаций. В 1996 году Russel с коллегами продемонстрировали волокна с так называемой фотонно-кристаллической оболочкой [2]. Этой работой Russell с коллегами открыли новую, обширную тему для исследований. Этой группой [3, 4, 5, 6] были продемонстрированы волокна с оболочкой, которая состоит из нескольких сотен воздушных отверстий, идущих вдоль оси волокна. Несмотря на схожесть механизмов локализации света между обычными волокнами и МВС, работающими на разнице эффективных показателей преломления между сердцевиной и оболочкой, были найдены существенные отличия в свойствах, которые стали предметом новых исследований [7, 8, 9].
Следует отметить, что, вообще говоря, круг задач, связанных с микроструктурированными световодами, является чрезвычайно широким. Достаточно сказать, что по данной теме уже опубликовано более 1000 работ и по крайней мере 2 монографии [10, 11]. Количество публикуемых работ увеличивается с каждым годом. Данная диссертационная работа посвящена лишь отдельным аспектам проблемы исследования дисперсионных и нелинейных свойств микроструктурированных световодов. В стандартных ВС на основе кварцевого стекла разность показателей преломления оболочки и сердцевины не превышает 0.06. В МВС эта величина может достигать 0.45 (предельный случай, когда свет распространяется по «волоску» из кварцевого стекла окруженного воздухом). Благодаря большой разности эффективных показателей преломления сердцевины и оболочки удается существенно уменьшить диаметр пятна моды. Это в свою очередь позволяет существенно увеличить нелинейный коэффициент у. В стандартных ВС на основе кварцевого стекла коэффициент нелинейности у может изменяться в диапазоне 1-30 Вт км"1, в зависимости от длины волны и уровня легирующей примеси в сердцевине. В МВС из кварцевого стекла у может превышать величину 100Вт км 1 [12]. В силу большой величины разницы показателей преломления сердцевины и оболочки и малого диаметра сердцевины волноводный вклад в хроматическую дисперсию начинает существенным образом влиять на спектральную зависимость хроматической дисперсии. В частности, длина волны нулевой хроматической дисперсии в МВС на основе кварцевого стекла может быть смещена в коротковолновый диапазон длин волн. Управление дисперсионными характеристиками и высокая степень локализации излучения позволяет достичь радикального увеличения эффективности нелинейно-оптических явлений.
Благодаря своим уникальным дисперсионным и нелинейным свойствам, микроструктурированые световоды являются перспективными для решения многих прикладных задач, например, таких, как параметрические усилители и оптический параметрический конвертер частот. Однако при оптических параметрических преобразованиях существенную роль играет не только профиль дисперсионной кривой, но и стабильность дисперсионных параметров по длине световода. Особенно остро проблема стабильности дисперсионных параметров по длине световода встает для преобразования с большими частотными сдвигами. Отметим, что в литературе недостаточно освещены проблемы стабильности дисперсионных свойств микроструктурированных световодов по длине световодов.
Таким образом, актуальность работы определяется широким кругом возможных применений микроструктурированных световодов в качестве нелинейных элементов, а также необходимостью более детального исследования стабильности дисперсионных параметров по длине световода и связи дисперсионных параметров с параметрами, контролируемыми при вытяжке световодов.
Цели диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:
• Создание методики измерения хроматической дисперсии в экспериментальных образцах микроструктурированных световодов в широком спектральном диапазоне с учетом двулучепреломления.
• Исследование влияния физических и технологических процессов при изготовлении микроструктурированных световодов на дисперсионные свойства и стабильность дисперсионных свойств по длине световода.
• Экспериментальное исследование параметрического преобразования излучения с большими частотными сдвигами.
Работа выполнялась в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН.
По материалам, вошедшим в диссертационную работу, были опубликованы: 4 статьи в журналах, 3 работы были представлены в форме научного доклада на конференциях.
Методы измерения хроматической дисперсии
По определению, приведенному в рекомендациях Международного союза электросвязи ITUT G.650[33, 34], хроматическая дисперсия - это уширение светового импульса в оптическом волокне, вызванное разностью групповых скоростей различных длин волн, составляющих спектр оптического информационного сигнала. Однако на практике применяется величина (D), называемая коэффициентом хроматической дисперсии. Прямое измерение хроматической дисперсии путем измерения уширения импульса прошедшего через ВС на практике не всегда эффективен и удобен. Обычно коэффициент хроматической дисперсии D волокна определяется по разнице в групповой задержке световых сигналов с различными длинами волн т(Х) в волокне известной длины по формуле: где L - длина волокна, X - длина световой волны. Различие методов измерения хроматической дисперсии фактически связано с использованием разных методов измерения временных задержек.
В соответствии с рекомендациями ITU G.650 существует три регламентированных метода измерения дисперсии: фазовый метод измерения (Phase shift technique); импульсный метод измерения (Pulse delay technique); Интерферометрический метод измерения (Interferometric technique). Но наравне с регламентированными используют и другие методы измерения коэффициента хроматической дисперсии, речь о которых пойдет ниже. Фазовый метод. Сущность метода состоит в измерении разницы фаз между сигналом, прошедшим через измеряемый ВС, и фазой опорного сигнала в зависимости от несущей длины волны. Полученные значения сдвига фаз ф(А) связаны с групповыми задержками формулой т(Х)=ф/(2яі), где f частота модуляции сигнала. Измерения задержки должны быть проведены на нескольких длинах волн. Структурная схема фазового метода измерения хроматической дисперсии представлена на рис. 1.3. Возможны разные варианты реализации метода, как один из вариантов приведена схема с использованием широкополосного источника излучения и фотоприемника с селектором длин волн. Сигнал с задающего генератора модулирует мощность излучения источника. Модулированное световое излучение, проходящее по тестируемому волокну, используется в качестве измеряемого сигнала, подаваемого на фазометр.
Тот же сигнал с опорного генератора, подаваемый на фазометр по другому каналу, служит опорным сигналом. Фазометр измеряет сдвиг фаз между опорным и измеряемым сигналом. Измерения повторяются на каждой из выбранных длин волн. Обработка результатов измерения заключается в подборе функциональной зависимости т(Х), значения которой на измеряемых длинах волн наиболее близки к измеренным значениям. Развитием фазового метода является дифференциальный фазовый метод [35] (Differential Phase Shift Method), когда измеряются относительные фазовые сдвиги и относительные задержки Ті и т2 для двух сигналов на соседних близко расположенных длинах волн Х\ и Х2. Значение величины дисперсии на длине волны Хщ, равной полусумме длин волн Х\ и Х2, определяются линейной аппроксимацией по формуле 4 (i-5 Импульсный метод измерения хроматической дисперсии основан на прямом измерении задержки световых импульсов с различными длинами волн при прохождении через ВС заданной длины (time of flight). Преимущество этого метода заключается в том, что можно проводить измерения времени задержки оптических импульсов лазеров при прохождении заданного участка волокна «туда и обратно», т.е. при отражении от удаленного конца волокна. Схема установки для проведения измерений при этом остается почти такой же, как и при измерениях фазовым методом. Однако вместо измерителя фазы необходимо использовать другое устройство, позволяющее измерять относительную временную задержку двух импульсов. Фазовый и импульсный методы предназначены для измерения дисперсии в километровых образцах световодов, что слабо применимо для измерения экспериментальных образцов МВС, так как в этих методах измеряется групповая задержка на длинном отрезке световода, а измеренная величина несет только косвенную информацию о связи структуры световода с дисперсионными свойствами. Интерференционный метод [33, 34] измерения дисперсии применяется при измерении коротких отрезков ВС длиной несколько метров. Структурная схема измерителя хроматической дисперсии, использующего интерференционный метод (на основе интерферометра Маха-Цандера), представлена на рис. 1.4. Излучение от широкополосного источника после селектора длин волн попадает в интерферометр Маха-Цандера. При линейном перемещении конца ВС, входящего в состав опорного плеча интерферометра, в опорный канал вносится известная разность оптических длин, значение которой позволяет вычислить групповую задержку светового сигнала в тестируемом волокне, расположенном в измерительном плече интерферометра. Как показано на рис. 1.4, существуют различные модификации метода, в которых в опорном плече может быть опорный образец ВС. В этом случае требуется дополнительно измерить коэффициент хроматической дисперсии ВС в опорном плече. Наравне с рекомендованными методами существуют также и другие методы измерения [36 - 47]. Интерференционный метод "Xuning"[36, 37]. Метод основан на использование интерферометра Маха-Цандера, в одно из плеч которого установлен измеряемый образец, а второе воздушное плечо с изменяемой длиной, излучение заводится от широкополосного источника, а на выходе детектируется спектр излучения выходящего из интерферометра (см. рис. 1.5). Из-за хроматической дисперсии разные спектральные компоненты будут распространяться по ВС с разными групповыми задержками Tg. Интерференционная картина будет наблюдаться только в той части спектра, для которой Tg приблизительно равно Т0 (Т0 - временная задержка в воздушном плече интерферометра). В центре интерференционной картины Хс, длина волны для которой Tg=T0.
Волноводные характеристики МВС с двумя слоями отверстий в оболочке
Процесс перетяжки заготовки из заготовки в световод накладывает свои жесткие ограничения на сверленую заготовку. На нашей вытяжной башне установлена печь с внутренним диаметром нагревательного элемента в 28 мм. Это означает, что изготовляемая заготовка должна быть ограничена внешним диаметром в 24-25 мм. В этом случае мы можем изготавливать заготовки с числом слоев от 1 до 6 в зависимости от коэффициента заполнения k (k=d/A где d - диаметр отверстия, а Л - расстояние между центрами отверстий), причем чем меньше к тем меньше число слоев можно уместить. Так же следует отметить, что время изготовления заготовки растет с увеличением числа отверстий, поэтому с технологической точки зрения сверлением выгодно изготавливать с малым числом слоев дырок в оболочке.
Величина смещения нуля дисперсии в область коротких длин волн в микроструктурированных световодах напрямую связана с коэффициентом заполнения [65]. Чем больше к, тем больший сдвиг дисперсионной кривой в коротковолновую область может быть получен. Численный анализ и эксперименты [66, 67] показали, что для световодов с гексагональной структурой одинаковых отверстий смещение нуля дисперсии в коротковолновую область спектра сопровождается уменьшением эффективной площади моды, что позволяет реализовать больший коэффициент нелинейности. Увеличение коэффициента заполнения имеет и еще одну положительную сторону, весьма важную для технологии, - с увеличением коэффициента заполнения уменьшается число слоев необходимое для получения малых волноводных потерь [68]. Как следует из работы [70], для того, чтобы волноводные потери были менее 10 дБ/км двухслойные световоды должны иметь коэффициент заполнения А 0.8. Однако при решении проблемы преобразования частоты в заранее заданном спектральном диапазоне для выполнения условия фазового синхронизма требуется конкретное положение нуля дисперсии, зависящее от наклона дисперсионной кривой и требуемого частотного сдвига. В световодах с одинаковой геометрией отверстий такая дисперсионная характеристика может не отвечать условию максимально возможного коэффициента заполнения и, соответственно, минимальной эффективной площади моды. В работах [69, 70, 71] показано для случая многослойных световодов, что неоднородное распределение отверстий по слоям оказывает существенное влияние на дисперсионные характеристики, однако авторы работ были нацелены на создание световода с наименьшим наклоном дисперсионной кривой в области 1550 нм. В отличие от [69, 70, 71] наша цель - создание световода с минимальной площадью моды и минимальным количеством слоев дырок в оболочке.
Мы провели численный расчет волноводных характеристик двухслойных световодов, имеющих различную геометрию отверстий в слоях. Расчет выполнен методом конечных элементов с использованием коммерчески доступного пакета программ Femlab 7, позволяющего решать векторное волновое уравнение для полей мод в микроструктурированных световодах.
Модельный эксперимент проводился для четырех типов световодов «А», «В», «С» и «D». Световоды «А» состоят из двух слоев дырок с одинаковым коэффициентом заполнения в слоях к = 0.69 (рис. 3.7 а); и световоды «В» (рис. 3.7 б), так же двухслойные световоды, но в отличие от «А» имеющие коэффициент заполнения второго слоя к = 0.96. Световод «С» (рис. 3.7 в) состоит из двух слоев дырок с одинаковым коэффициентом заполнения в слоях к= 0.4. Световод «тип D» (рис. 3.7 г) имел коэффициенты заполнения kj = 0.4 и к2 = 0.6. Период структуры для всех типов световодов составляет Л=2.3 мкм. Далее эти модельные структуры подвергались процедуре масштабирования с коэффициент масштабирования М, т.е. параметры структуры (di, &г, Л) изменялись одновременно в М раз, сохраняя неизменными величины коэффициентов заполнения. Эта процедура на практике соответствует вытягиванию из заготовки ВС с меньшим внешним диаметром. ODnew=M OD0id На рис. 3.8 и рис. 3.9 показаны рассчитанные дисперсионные кривые и зависимости эффективной площади Aef от длины волны для световодов «А» и «В» с коэффициентами масштабирования М=1; 0.4 и 0.3, где Аэфф Из сравнения зависимостей видно, что при данном коэффициенте заполнения, различия для этих световодов начинают сказываться только при малой эффективной площади моды, (М=0,4 при этом ЛО.92 мкм).
Численный анализ влияния вариаций геометрических параметров структуры на дисперсионные свойства МВС с малым числом слоев отверстий в оболочке
Как уже отмечалось выше, изготовление микроструктурированных световодов состоит из двух ключевых этапов. Первый этап - изготовление заготовки, второй этап - вытягивание световода из заготовки. На каждом этапе существуют ошибки изготовления. В данном разделе мы проведем оценку влияния отклонений в геометрии от требуемых параметров на дисперсионные свойства МВС. В модельном эксперименте использовался световод с оболочкой состоявшей из трех слоев отверстий с одинаковым коэффициентом заполнения с d/A=0.64 и параметром Л=3.1 мкм. При этом независимо изменялся либо диаметр отверстия d при фиксированном Л, что соответствует раздуванию или схлопыванию отверстий в световоде при фиксированном расстоянии между центрами, либо одновременному изменению и d и Л, что соответствует изменению масштаба структуры. Результаты расчета для фиксированного Л и изменяющегося d приведены на рис. 3.11 и табл. 3.2, а для изменения масштаба - на рис. 3.12 и табл. 3.3. Из графиков и таблицы видно, что даже малые изменения в геометрии световода сказываются существенным образом на положение длины волны нулевой дисперсии. Для таких применений, как параметрические конверторы с большим частотным сдвигом, существенным является вариации длины волны нулевой дисперсии по длине световода. Как будет показано в главе 4, ширина полосы усиления при таких больших сдвигах составляет десятые доли нм (нами продемонстрирована перестройка в 0.7 нм при преобразовании частот более 5000 см 1), таким образом, при изготовлении МВС следует тщательным образом контролировать геометрию заготовки на каждом этапе изготовления. С целью получения больших когерентных длин необходимо, чтобы по всей этой длине отклонение длины волны нулевой дисперсии было меньше ширины полосы усиления при заданном частотном сдвиге. Таким образом, мы видим, что изготавливаемая методом сверления заготовка МВС изначально (до вытяжки) удовлетворяет высоким требованиям предъявляемым стабильности геометрии заготовки по длине.
Следует отметить, что отверстия диаметром менее 2 мм получаемые методом ультразвуковой прошивки обладают большой конусностью отверстия и не могут быть применены для изготовления заготовок МВС. Так же следует ожидать, что при флуктуациях внешнего диаметра световода изготовленного на нашем технологическом оборудовании (разброс внешнего диаметра ВС +/- 1 мкм при диаметре волокна 125 мкм) световод может обладать достаточно большой длиной усиления при параметрических процессах в силу малых изменений положения длины волны нулевой дисперсии. Отработана технология изготовления заготовок микроструктурированных световодов на основе кварцевого стекла. Продемонстрирована возможность применения этой технологии для изготовления заготовок МВС на основе халькогенидных и теллуритных стекол. Теоретически исследованы дисперсионные свойства микроструктурированных световодов, оболочка которых состоит из двух слоев отверстий, в том числе и с разными диаметрами отверстий. Показано, что изменение коэффициента заполнения во втором слое двухслойных микроструктурированных световодов позволяет минимизировать эффективную площадь моды, и в более широком спектральном диапазоне управлять нулем дисперсии и наклоном дисперсионной кривой. Проведен численный анализ влияния вариаций геометрических параметров структуры на дисперсионные свойства микроструктурированного световода с малым числом слоев отверстий в оболочке.
Показано, что изготовленные сверлением заготовки удовлетворяют высоким требованиям к качеству. Так, математическое моделирование показывает, что на одном километре волокна (при идеальных условиях перетяжки) отклонение в диаметре отверстий в волокне с одного конца и другого конца ВС не превысит 0.2%, а увод центра отверстия от заданной геометрии менее 0.05% от размера диаметра отверстия. Как уже отмечалось ранее, особенностью дисперсионных свойств МВС (а особенно высоко-нелинейных МВС) является возможность изменения длины волны нулевой хроматической дисперсии в широком спектральном диапазоне (0.6-1.6 мкм), а также управление наклоном коэффициента хроматической дисперсии в зависимости от конкретной структуры ВС. В связи с этим являются перспективным использование высоконелинейных МВС в параметрических преобразователях частоты. Целью работы, изложенной в четвертой главе, явилось исследование процесса четырехволонового смешения в МВС световодах с непрерывной накачкой и большим (более 5000 см"1) частотным сдвигом. Для экспериментальных исследований нами использовались 4 образца световодов. Основные характеристики световодов представлены в таблице 4.1. Нами были изготовлены световоды №2 и №3. Световоды №1 и №4 были изготовлены в группе Dr. Johannes Kirchof из института IPHT (ФРГ, г.Йена). Заготовка для световодов №2 и №3 была получена из стекла марки «Suprasil F-300» фирмы Heraus методом сверления. Просверленная заготовка подвергалась процедурам травления, перетяжки и жакетирования. Температурная обработка производилась в пламени кислородно-водородной горелки, при этом происходила полировка внутренней поверхности отверстий. В процессе перетяжки и жакетирования во внутренние отверстия подавалось избыточное давление инертного газа, с целью компенсации сил поверхностного натяжения, стремящихся захлопнуть отверстие. При этом подбором давления в отверстиях и температурного режима в заготовке удалось селективно увеличить диаметр отверстий во втором слое. Полученная описанным образом заготовка была перетянута в световод. В процессе вытяжки производился контроль и регулировка давления в отверстиях. Путем изменения давления в отверстиях из одной заготовки была получена серия световодов с гексагональной симметрией и различной геометрией отверстий. типичных многослойных световодов, изготовленных по капиллярной технологии. Зависимость оптических потерь световодов от длины волны, измеренная методом облома, представлена на рис. 4.1. Полосы поглощения на 0.95, 1.24 и 1.4 мкм обусловлены обертонами колебания гидроксильных групп. Группы ОН были внесены в сетку стекла в основном в процессе температурной обработки из пламени горелки (утверждение справедливо для световодов №2 и №3; про технологию изготовления световодов №1 и №4 у автора нет информации). Как можно видеть из рисунка, вне полосы 1.4 мкм потери на поглощение в двухслойных световодах меньше, чем в многослойных световодах с двумя слоями с большим к. Дисперсионные кривые этих световодов, показанные на рис. 4.2, получены с использованием интерферометрической методики, описанной в главе 2. На вставках в рис. 4.2 приведены фотографии торцов световодов полученных на электронном микроскопе. Как и ожидалось, у световодов имеющие больший коэффициент заполнения ( = 0.75-0.88) длина волны нулевой дисперсии смещена в коротковолновую область по сравнению с ВС с (=0.4, =0.28), и имеют нуль дисперсии, смещенный в коротковолновую область спектра и больший наклон дисперсионных кривых.
Внутрирезонаторное преобразование спектра в волоконном лазере с самомодуляцией добротности и с использованием МВС
Другим интересным проявлением нелинейных свойств микроструктурированных волоконных световодов является генерация суперконтинуума. Этот процесс представляет собой нелинейно-оптическое явление, заключающееся в гигантском уширении спектра светового импульса в результате совместного действия целого ряда нелинейно-оптических явлений, таких как фазовая само- и кросс- модуляция, четырехволновое взаимодействие, вынужденное комбинационное рассеяние, а также формирование и распространение солитонов и модуляционные неустойчивости [И]. Этот эффект известен достаточно давно, обзор ранних исследований может быть найден в [74, 75, 11]. Гигантское уширение спектра получали от различных импульсных источников и в различных средах, в жидкостях, твердых телах (объемных элементах и волокнах). Однако следует подчеркнуть, что наибольший интерес представляет получение суперконтинуума с использованием импульсного лазера, не имеющего в своем составе объемных элементов (модуляторов, затворов и пр.), так как это позволяет сохранить такие достоинства волоконного лазера, как компактность и отсутствие котировочных узлов.
Одним из типов импульсных лазеров в чисто волоконном исполнении являются волоконные лазеры с самомодуляцией добротности. Принцип работы таких лазеров основан на подавлении постоянной обратной связи и использовании нелинейной обратной связи, которая реализовывается сначала за счет обратного рэлеевского рассеяния, приводящего к возникновению ВРМБ [76]. Следует отметить, что, как правило, длина активного световода, формирующего резонатор, является недостаточной для получения обратной связи. Поэтому в схеме импульсного лазера используются дополнительные волоконные элементы. Так, в работе [77] использовалась конфигурация с дополнительным волоконным кольцом в резонаторе лазера, при этом световод накачивался в сердцевину. В работе [78] данный принцип был распространен на лазеры с накачкой в оболочку. В обоих случаях был получен импульсный режим генерации с длительностью импульсов, составляющей 2-10 не и пиковой мощностью до 10 кВт. В работе [79] к выходу активного волоконного световода, легированного ионами Nd3+, приваривался дополнительный отрезок одномодового световода, не содержащего активной примеси. В последней схеме следует ожидать не только возникновения импульсного режима, но и преобразования спектра лазерного излучения за счет нелинейных эффектов, проявляющихся в дополнительном отрезке световода из-за высокой пиковой мощности генерации. Очевидно, что характер преобразования зависит не только от мощности генерации, но и от оптических свойств и длины используемого световода. В данном параграфе приводятся результаты, полученные при использовании в резонаторе импульсного лазера дополнительного МВС с нулем дисперсии в области генерации лазера.
Схема эксперимента. На рис. 4.11 представлена схема импульсного волоконного лазера. В качестве активной среды использовался световод с многоэлементной оболочкой, или GTWave световод [80]. Эта структура представляет собой сборку двух световодов, находящихся в оптическом контакте, в общем покрытии, для которого используется полимер с пониженным по сравнению с кварцевым стеклом показателем преломления. Один из световодов имеет активную сердцевину, в которой возникает лазерная генерация. Второй (пассивный) представляет собой стержень из кварцевого стекла и служит для ввода излучения накачки, часть которой затем перетекает в оболочку активного световода.
Концентрация примеси ионов иттербия в сердцевине активного световода составила около 4-10 см , диаметр сердцевины - 6 мкм, диаметр оболочки, обоих световодов - около 120 мкм, длина активного световода в лазере -15 м.
К одному из торцов активного световода приваривалась брэгговская решетка с высоким коэффициентом отражения, к другому - отрезок МВС (световод №1, из таблицы №4.1) для повышения уровня обратного рассеяния. Для подавления постоянной обратной связи к выходам активного световода приваривались оптические изоляторы. В качестве источника накачки использовалась сборка полупроводниковых лазеров, излучающих в области 976 нм производства компании «Милон-Лазер» (С.-Петербург). Используемая для накачки мощность источника ограничивалась предельной паспортной пропускной мощностью изолятора, составляющей 300 мВт средней мощности.
В схеме лазера использовался отрезок МВС световода длиной 20 м. Для всех образцов измерялись выходные мощности, спектры и осциллограммы.
Основные результаты. Для МВС, параметры которого представлены в таблице 4.1, ВС №4, была получена импульсно-периодическая генерация. Длительность импульса на выходе 2 составила около 20 не, на выходе 1 - 3 не. Следует отметить, что данный образец не обладал высокими нелинейными свойствами, так как диаметр световода имеет достаточно большой диаметр и не содержит легирующих добавок. Однако то, что длина волны генерации оказывается вблизи длины волны нулевой хроматической дисперсии, позволяет ожидать большой вклад четырехволнового преобразования в процесс спектрального преобразования. Осциллограммы импульсов показаны на рис. 4.12. Разница в форме импульсов объясняется тем, что на выходе 1 наблюдается генерация на длинах волн, не совпадающих с длиной волны отражения брэгговской решетки, в частности, на длинах волн ВРМБ-компонент. Средняя выходная мощность составила 280 мВт при мощности накачки 1.8 Вт, пиковая мощность - около 1.5 кВт. На выходе 1 средняя мощность составила около 30 мВт. Частота генерации линейно зависит от мощности накачки и достигает примерно 10 кГц при максимальной мощности. Нестабильность частоты повторения составила 10-15%. На рис. 4.13 представлены спектры излучения лазера с микроструктурированным световодом. Спектр на выходе 2 характеризуется наличием одной рамановской компоненты, длина волны которой практически совпадает с длиной волны нулевой хроматической дисперсии. В области аномальной дисперсии наблюдается суперконтинуум. Также, генерация суперконтинуума наблюдается и на длинах волн короче длины волны основной генерации. Доля мощности вне основного пика генерации составила около 25%. Следует ожидать, что использование световода с меньшим диаметром сердцевины позволит увеличить долю преобразованной мощности.
