Каскадная волоконно-оптическая система для временного сжатия импульсов

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике лазеров, оптических усилителей и систем управления лазерным излучением. Волоконно-оптическая система для временного сжатия импульсов, представляет собой каскад, первой секцией которого является усиливающее оптическое волокно с комплексной отрицательной дисперсией групповых скоростей, а второй - пассивное оптическое волокно с малой нелинейностью и вещественной дисперсией групповых скоростей, при этом режим временного сжатия импульсов реализуется в случае положительного произведения скорости частотной модуляции на выходе из первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции и отрицательного произведения действительной части дисперсии групповых скоростей первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции. Для максимального сжатия импульса длина первой секции выбирается из условия максимально достижимого значения скорости частотной модуляции на выходе из нее, а второй из условия возможности получения спектрально-ограниченного импульса (компрессии импульса).

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике лазеров, оптических усилителей и систем управления лазерным излучением.

Известен оптический компрессор ультра-коротких (субпикосекундных) импульсов источника света (US 7769262), имеющий оптический генератор импульсов, излучающий короткий импульс света, оптический усилитель для усиления короткого светового импульса от оптического генератора импульсов и оптический компрессор для сжатия коротких световых импульсов. Оптический компрессор имеет многоступенчатую конфигурацию, состоящую из поляризационных сплиттеров, оптических волокон для сжатия падающего светового импульса, элементов, вращающих плоскость поляризация на 90 градусов для возврата излучения в оптические волокна, оптического волокна с сохраняющейся поляризацией, подключаемого на выход поляризационного сплиттера на предыдущей ступени и на вход поляризационного сплиттера на последующей ступени.

Известен компрессор оптических импульсов с блоком частотной модуляции (ЧМ) (US 2009/0190893), включающий оптическое волокно с нормальной дисперсией групповых скоростей, обеспечивающее положительный чирп входному импульсу и компенсатор дисперсии с оптическим волокном с аномальной дисперсией групповых скоростей. Нелинейный коэффициент и абсолютное значение дисперсии групповых скоростей второго порядка оптического волокна с аномальной дисперсией, составляющего компенсатор дисперсии устанавливается так, что порядок солитона становится больше или равным 1, а длина оптического волокна с аномальной дисперсией групповых скоростей должна быть меньше или равна, длине необходимая для образования оптического солитона.

В качестве оптических волокон для сжатия светового импульса в данных схемах использованы нелинейные оптические волокна, в которых может существовать модуляционная неустойчивость и процессы распада волнового пакета, что не позволяет осуществить самосжатие импульсов малой мощности (существенно меньше 10 мВт) без начальной частотной модуляции.

Цель данной полезной модели заключается в реализации временного сжатия оптических импульсов сколь угодно малой мощности без начальной частотной модуляции до субпикосекундных (менее 10^-12 сек) длительностей в линейных волоконно-оптических структурах для построения импульсных лазерных систем и усилителей.

Технический результат: снижение длительности маломощного (менее 10 мВт) спектрально-ограниченного оптического импульса с исходной длительностью свыше 100 пико секунд на выходе волоконно-оптической системы, до длительностей менее 1 пикосекунды, а также упрощение конструкции оптического компрессора.

Достижение технического результата возможно за счет использования каскадной схемы, первой секцией которой является усиливающее оптическое волокно с реализованной комплексной дисперсией групповых скоростей, а второй - пассивное (не усиливающее с малыми потерями) оптическое волокно с вещественной дисперсией групповых скоростей, при этом режим временного сжатия импульсов реализуется в случае положительного произведения скорости частотной модуляции на выходе из первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции и отрицательного произведения действительной части дисперсии групповых скоростей первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции. Для максимального сжатия импульса длина первой секции выбирается из условия максимально возможного значения скорости частотной модуляции на выходе из нее. Описание полезной модели:

Предлагается каскадная волоконно-оптическая система получения коротких оптических импульсов за счет сжатия оптического излучения в однородной световедущей среде - каскадном оптическом волокне, состоящем из последовательности активных (с усилением) и пассивных оптических волокон, для которых значения мнимых и действительных составляющих дисперсионных параметров k=k-ik - первого и D=D-iD - второго порядков являются постоянными величинами. Первый дисперсионный параметр определяет групповую скорость, а второй - дисперсию групповых скоростей волнового пакета.

Данная каскадная схема сжатия оптического излучения является продолжением техники усиления чирпированных импульсов, применяемой для ослабления влияния нелинейно-оптических явлений на процессы генерации, усиления и передачи мощных сверхкоротких световых импульсов в мощных твердотельных лазерных системах. Согласно методике усиления чирпированных импульсов, световой импульс перед усилительной ступенью пропускается через устройство (стретчер), обеспечивающее увеличение длительности импульса. Соответствующее понижение пиковой мощности светового импульса позволяет значительно уменьшить влияние нелинейных эффектов на этапе усиления. Возникающая на этапе стретчирования модуляция фазы импульса компенсируется уже после усиления с помощью компрессора, формирующего сверхкороткий лазерный импульс.

Для импульса гауссовой формы, распространяющегося в каскадном оптическом волокне, предложены условия сжатия оптического излучения, с учетом возможного негативного влияния сопутствующего эффекта смещения несущей частоты (СНЧ). Предложенная каскадная схема решает проблему СНЧ, и предполагает получение в первом сегменте каскадного оптического волокна не короткого, а достаточно длинного импульса, с относительно малым значением максимума амплитуды огибающей и плотности энергии с большим значением скорости частотной модуляции. После придания импульсу как можно большей скорости ЧМ в первом сегменте (реализующем преимущественное усиление «крыльев» волнового пакета), импульс вводится во второй элемент, непосредственно в котором и осуществляется сжатие. При этом длина второго оптического волокна, на которой импульс становится спектрально ограниченным, совпадает с длиной, на которой длительность импульса становится минимальной.

Для реализации больших степеней сжатия в одиночном усиливающем оптическом волокне необходимо достижение больших значений отношения величины абсолютного значения мнимой составляющей дисперсии групповых скоростей к действительной части дисперсии групповых скоростей чему имеется два существенных ограничения. Первое заключается в технологических трудностях, связанных с формированием требуемой формы линии усиления. Второе состоит в быстром развитии модуляционной неустойчивости при больших значениях соответствующей величины мнимой составляющей дисперсии групповых скоростей. Кроме того, сильное сжатие импульса непосредственно в усиливающей среде приведет к влиянию нелинейных эффектов, как правило, приводящих к дополнительным аберрациям. Указанные ограничения отсутствуют в предложенной каскадной схеме. Во-первых, величина действительной и мнимой частей дисперсии групповых скоростей не играет определяющей роли в реализации высоких степеней компрессии. Более того, при удержании несущей частоты внутри соответствующего отрицательному значению дисперсии групповых скоростей спектрального диапазона сильная компрессия может быть достигнута даже при малых значениях мнимой составляющей дисперсии групповых скоростей. Во-вторых, двухкаскадная схема компрессии работает тем эффективнее, чем большее спектральное уширение претерпевает импульс в усиливающем оптическом волокне. При этом снимаются ограничения связанные с возможным негативным влиянием нелинейных параметров. Кроме того, в предлагаемой схеме сжатия пассивное оптическое волокно может быть заменено дифракционной решеткой или другим диспергирующим элементом.

Важным условием устойчивой работы предлагаемой системы является условие малости значения мнимой составляющей групповой скорости при большом значении мнимой составляющей дисперсии групповых скоростей.

Для интенсивности излучения, значительно меньшей насыщающей (что верно для импульсов малой мощности), величина инкремента усиления в рассматриваемом случае может быть задана соотношением

где =-_r - отстройка от частоты вынужденного перехода _r, - сечение вынужденного перехода, N - концентрация активных частиц в отсутствии генерации, _l - ширина спектральной линии. В этом случае, для мнимых составляющих дисперсионных параметров 1-ого и 2-ого порядков верны соотношения

Для сжатия вводимого в оптическое волокно спектрально ограниченного импульса необходимо выполнение условия D"<0. Из (2) и (3) следует возможность выполнения этого условия при выборе несущей частоты таким образом, чтобы отстройка от резонансной частоты составляла На фиг.1 приведены частотные зависимости дисперсионных параметров k и D (кривые 1, 2) построенные на основе соотношений (2) и (3) для следующих типичных для активных световодов значений входящих в них параметров: =2·10^-24 м², N=5·10 ²⁵ м^-3, _r=1.8·10¹⁵ с^-1, _l=0.5·10¹² с^-1. Видно, что в области отрицательности D параметр k может быть близок к своим экстремальным значениям, поэтому смещение несущей частоты _S может оказаться значительным и в результате несущая частота затягивается в центр линии усиления, где k0 и D>0.

Таким образом, в рамках модели одиночной лоренцевой линии усиления реализовать механизм временного сжатия, связанный с фазовой модуляцией за счет мнимой составляющей параметра дисперсии групповых скоростей, оказывается достаточно проблематичным.

Принципиально иная ситуация может быть получена в том случае, если линия усиления среды является более сложной и содержит локальный минимум; например, среда аппроксимируется суммой двух лоренцевых осцилляторов. В этом случае, для коэффициента усиления имеем:

где величина f_i=N_i /N определяет вклад в общую кривую усиления соответствующей группы осцилляторов и f₁+f₂=1. На фиг.2 приведены частотные зависимости параметров k и D (кривые 1 и 2) для значений входящих в (4) параметров: f₁=0.55, f₂=0.45, _r1=1.8·10¹⁵ c^-1, _r2=1.802·10^l5 c^-1 , _l1=6·10¹¹ c^-1, _l2=5.5·10¹¹ c^-1, _iN=10² м^-1. Из приведенных кривых видно, что при выбранных параметрах имеется возможность подобрать несущую частоту =_S таким образом, чтобы с одной стороны k=0, а с другой - D<0.

Кроме того, следует отметить, что реальные активные (поглощающие) среды не могут быть описаны «идеальной» лоренцевой линией, и практически всегда имеют достаточно большое число локальных экстремумов. Одним из наиболее технологичных способов реализации предложенной схемы может стать перестраиваемый рамановский мультиволновой усилитель реализующий широкополосное усиление (или модуляцию) волнового пакета в условиях когда k0 и D<0.

Таким образом, за счет использования каскадной схемы, первой секцией которой является усиливающее оптическое волокно с комплексной (отрицательной) дисперсией групповых скоростей, а второй - пассивное оптическое волокно с вещественной дисперсией групповых скоростей, режим временного сжатия импульсов реализуется в случае положительного произведения скорости частотной модуляции на выходе из первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции и отрицательного произведения действительной части дисперсии групповых скоростей первой секции и действительной части дисперсии групповых скоростей второй секции. Для максимального сжатия импульса длина первой секции выбирается из условия максимально возможного значения скорости частотной модуляции на выходе из нее, а второй секции таким образом, чтобы погасить скорость частотной модуляции в результате чего импульс становится спектрально ограниченным.

На фиг.3 представлены зависимости скорости частотной модуляции и длительности импульса от пройденного по оптическому волокну расстояния при прямом (сплошные кривые) и обратном (пунктирные кривые) распространении импульса в случае оптимального составного каскада.

Таким образом, учет дисперсионных параметров, связанных с комплексностью волновых чисел распространяющегося в каскаде излучения, указывает на возможность эффективного временного сжатия сколь угодно маломощного спектрально - ограниченного оптического импульса. Управляя параметрами оптического волокна, его длиной, а также вводимым излучением, каскадные световоды можно использовать для создания компактных компрессоров лазерного излучения, волоконных лазеров и высокоэффективных оптических фильтров.

Волоконно-оптическая система для временного сжатия импульсов, включающая усиливающие и пассивные оптические волокна, отличающаяся тем, что представляет собой каскад, первой секцией которого является усиливающее оптическое волокно с комплексной отрицательной дисперсией групповых скоростей, а второй - пассивное оптическое волокно с малой нелинейностью и вещественной дисперсией групповых скоростей, при этом режим временного сжатия импульсов реализуется в случае положительного произведения скорости частотной модуляции на выходе из первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции и отрицательного произведения действительной части дисперсии групповых скоростей первой секции и дисперсии групповых скоростей второй секции, а для максимального сжатия импульса длина первой секции выбирается из условия максимально возможного значения скорости частотной модуляции на выходе из нее.