Волоконный компрессор частотно-модулированных лазерных импульсов

Полезная модель относится к лазерной технике, конкретно - к устройствам для управления фазой стимулированного излучения и частотной демодуляции лазерных импульсов.

Волоконный компрессор частотно-модулированных лазерных импульсов, представляет собой отрезок оптического волокна с аномальной дисперсией групповых скоростей на длине волны частотно-модулированных лазерных импульсов, при этом сердцевина оптического волокна имеет диаметр не менее 20 мкм, а длина отрезка оптического волокна отличается от оптимальной длины L_opt не более чем на 20%, где оптимальная длина определяется соотношением , где где - ширина на полувысоте автокорреляционной функции частотно-модулированных лазерных импульсов, D - дисперсионный коэффициент оптического волокна, - нелинейный коэффициент оптического волокна, - ширина на полувысоте спектра частотно-модулированных лазерных импульсов, Р - пиковая мощность частотно-модулированных лазерных импульсов.

Техническим результатом, является возможность увеличения мощности компрессируемых пикосекундных частотно-модулированных лазерных импульсов без распада таких импульсов на суб-импульсы в процессе компрессии. Схема предложенного волоконного компрессора частотно-модулированных лазерных импульсов проста, надежна, не требует настройки, юстировки и технического обслуживания, в том числе после транспортировки, обеспечивает низкий уровень оптических потерь лазерного излучения и высокую эффективность компрессии.

Полезная модель относится к лазерной технике, конкретно - к устройствам для управления фазой стимулированного излучения и частотной демодуляции лазерных импульсов.

Из существующего уровня техники известны работающие в линейном режиме (по мощности оптического излучения) оптические компрессоры лазерных импульсов на основе пары дифракционных решеток (Е.В. Treacy. Optical pulse compression with diffraction gratings, IEEE J. of Quant. El. Vol. 5, Issue 9, pp. 454-458 (1969)), пары оптических призм (R.L. Fork, O.E. Martinez, J.P. Gordon. Negative dispersion using pairs of prisms. Optics Letters, Vol. 9, Issue 5, pp. 150-152 (1984)), а также комбинации дифракционных решеток и оптических призм (P. Tournois. New diffraction grating pair with very linear dispersion for laser pulse compression. Electronics Letters, Vol. 29, Issue 16, pp. 1414-1415 (1993)). Частотная демодуляция лазерных импульсов в таких компрессорах достигается за счет пространственного разделения спектральных компонент лазерного импульса, в результате чего различные спектральные компоненты лазерного импульса проходят различные оптические пути и происходит временное сжатие лазерных импульсов с начальной частотной модуляцией.

Недостатком указанных технических решений является то, что данные схемы основаны на дискретных (не волоконных) оптических элементах - дифракционных решетках и оптических призмах, в результате чего при использовании данных технических решений в волоконных лазерных системах необходимо делать разрывы оптических волоконных линий с выводом излучения из волокна и последующим введением излучения обратно в волокно, что приводит к значительным потерям мощности, снижению эффективности лазерной системы в целом, снижает надежность лазерной системы за счет появления разрывов волоконной линии и вызванной этим необходимостью юстировки систем ввода/вывода лазерного излучения в волокно/из волокна, необходимостью технического обслуживания в процессе эксплуатации и после транспортировки. Кроме того, схемы на основе дискретных элементов не позволяют сжимать лазерные импульсы с большой величиной частотной модуляции, генерируемые волоконными лазерами с нормальной дисперсией.

Из существующего уровня техники известны также нелинейные оптические компрессоры лазерных импульсов на основе пассивных оптических волокон и волоконных усилителей (L.F. Mollenauer, R.H. Stolen, J P. Gordon. Experimental observation of picosecond pulse narrowing and solitons in optical fibers. Phys. Rev. Lett. Vol. 45, pp. 1095-1098 (1980); W.J. Tomlinson, R.H. Stolen, C.V. Shank. Compression of optical pulses chirped by self-phase modulation in fibers. JOSA В Vol. 1, Issue 2, pp. 139-149 (1984); G. Steinmeyer, G. Stibenz. Generation of sub-4-fs pulses via compression of a white-light continuum using only chirped mirrors. Applied Physics B, Vol. 82, Issue 2, pp. 175-181 (2006)).

Недостатком указанных технических решений является необходимость использования дополнительных схем линейной компрессии для компенсации положительной частотной модуляции, приобретаемой лазерными импульсами за счет керровской нелинейности (эффект фазовой самомодуляции) в данных компрессорах. Как следствие, данные схемы обладают перечисленными выше недостатками, присущими схемам оптической компрессии, работающим в линейном режиме, а именно наличием разрывов оптических волоконных линий, значительными потерямя мощности в местах разрывов оптических волоконных линий и относительно низкой эффективностью системы в целом, низкими показателями надежности, необходимостью юстировки систем ввода/вывода лазерного излучения в волокно / из волокна, невозможностью сжатия лазерных импульсов с большой величиной частотной модуляции, генерируемые волоконными лазерами с нормальной дисперсией.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является нелинейный волоконный оптический компрессор лазерных импульсов на основе эффекта солитонного сжатия (L.F. Mollenauer, R.H. Stolen, J.P. Gordon, W.J. Tomlinson. Extreme picosecond pulse narrowing by means of soliton effect in single-mode optical fibers. Optics Letters, Vol. 8, Issue 5, pp. 289-291 (1983); Y. Matsui, M. D. Pelusi, A. Suzuki. Generation of 20-fs optical pulses from a gain-switched laser diode by a four-stage soliton compression technique. IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, Issue 10, pp. 1217-1219 (1999)). Нелинейный волоконный оптический компрессор лазерных импульсов на основе эффекта солитонного сжатия состоит из отрезка оптического волокна, имеющего аномальную дисперсию групповых скоростей на длине волны частотно-модулированных лазерных импульсов, причем дисперсионный и нелинейный коэффициенты оптического волокна приближенно удовлетворяют соотношению ₂/=², где - пиковая мощность, а T² - квадрат длительности частотно-модулированных лазерных импульсов.

Недостатком указанных технических решений является ограничения на мощность и длительность частотно-модулированных лазерных импульсов, связанные с солитонным механизмом сжатия. Для оптического солитона произведение мощности P и квадрата длительности T² должно быть равно отношению дисперсионного и нелинейного коэффициентов волокна ₂/. Как следствие, мощность лазерных импульсов, которые могут быть сжаты с использованием нелинейных волоконных солитонных компрессоров, падает обратно пропорционально квадрату длительности таких импульсов, и данный метод оказывается неприменим для мощных пикосекундных лазерных импульсов, генерируемых современными волоконными лазерами с нормальной дисперсией даже при использовании коммерчески доступных волокон с малой нелинейностью и большой величиной аномальной дисперсии групповых скоростей ₂.

Задачей полезной модели является создание волоконного компрессора частотно-модулированных лазерных импульсов, обеспечивающего частотную демодуляцию (оптическую компрессию) лазерных импульсов в пикосекундном диапазоне длительностей при высоком уровне пиковой мощности, характеризующегося надежной конструкцией и не требующего технического обслуживания в процессе эксплуатации и транспортировки.

Поставленная задача решается за счет того, что для оптической компрессии лазерных импульсов используется отрезок оптического волокна с аномальной дисперсией групповых скоростей в рабочем спектральном диапазоне, отличающееся большим (20 мкм и более) диаметром сердцевины и длиной L, отличающейся не более чем на 20% от оптимальной длины L_opt, определяемой в зависимости от мощности импульсов соотношением

где - ширина АКФ импульса на полувысоте, D - дисперсионный коэффициент оптического волокна (D=-2c₂/²), c - скорость света в вакууме, - рабочая длина волны, - ширина спектра частотно-модулированных лазерных импульсов на полувысоте, - нелинейный коэффициент оптического волокна, P - пиковая мощность частотно-модулированных лазерных импульсов. Длина волокна L_opt (1) соответствует критическому нелинейному набегу фазы частотно-модулированных лазерных импульсов, после которого происходит распад указанных импульсов на последовательность суб-импульсов за счет нелинейных эффектов. Сжатие частотно-модулированных лазерных импульсов происходит в слабонелинейном режиме за счет частотной демодуляции, обусловленной аномальной дисперсией групповых скоростей оптического волокна.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность увеличения мощности компрессируемых пикосекундных частотно-модулированных лазерных импульсов без распада таких импульсов на суб-импульсы в процессе компрессии. Схема предложенного волоконного компрессора частотно-модулированных лазерных импульсов проста, надежна, не требует настройки, юстировки и технического обслуживания, в том числе после транспортировки, обеспечивает низкий уровень оптических потерь лазерного излучения и высокую эффективность компрессии.

Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой схематически изображен волоконный компрессор частотно-модулированных лазерных импульсов. Волоконный компрессор частотно-модулированных лазерных импульсов состоит из отрезка оптического волокна 1 с аномальной дисперсией групповых скоростей, имеющего вход 2 и выход 3.

Устройство работает следующим образом.

Частотно-модулированный лазерный импульс 4 попадает через вход 2 в отрезок оптического волокна 1 с аномальной дисперсией групповых скоростей, длина которого отличается от оптимальной длины L_opt, определяемой выражением (1), на величину не более 20%, и распространяется по нему в направлении выхода 3. При этом различные спектральные компоненты частотно-модулированного лазерного импульса распространяются по волокну 1 с различной скоростью из-за наличия дисперсии групповых скоростей волокна 1. Это приводит к уменьшению длительности (оптической компрессии) частотно-модулированного лазерного импульса 5 на выходе 3 из отрезка волокна 1 по сравнению с длительностью частотно-модулированного лазерного импульса 4 на входе 2 в волокно 1. Приобретаемый частотно-модулированным лазерным импульсом в процессе распространения по волокну 1 нелинейный набег фазы не превышает критического значения ввиду выбора длины отрезка волокна 1 близкой к оптимальной длине L_opt в соответствии с выражением (1), что предотвращает распад частотно-модулированного лазерного импульса в волокне 1 при любом уровне мощности и длительности частотно-модулированного лазерного импульса.

Волоконный компрессор частотно-модулированных лазерных импульсов, включающий отрезок оптического волокна с аномальной дисперсией групповых скоростей на длине волны частотно-модулированных лазерных импульсов, отличающийся тем, что сердцевина оптического волокна имеет диаметр не менее 20 мкм, а длина отрезка оптического волокна отличается от оптимальной длины L_opt не более чем на 20%, где оптимальная длина определяется соотношением

где - ширина на полувысоте автокорреляционной функции частотно-модулированных лазерных импульсов, D - дисперсионный коэффициент оптического волокна, - нелинейный коэффициент оптического волокна, - ширина на полувысоте спектра частотно-модулированных лазерных импульсов, Р - пиковая мощность частотно-модулированных лазерных импульсов.