Волоконно-оптические источники ультракоротких лазерных импульсов, перестраиваемых в ближнем инфракрасном диапазоне

Актуальность работы.

Бурное развитие волоконных лазерных систем, в последние десятилетия определяет все большее их распространение в различных областях науки и технологий от медицинских и промышленных применений до сверхточных измерений. Широкий спектр приложений волоконных фемтосекундных лазеров обусловлен рядом таких их свойств, как компактность, высокая надежность, стабильность выходного излучения и отсутствие необходимости настройки в процессе работы. Эти свойства волоконно-оптических лазеров определяются, в первую очередь, их полностью волоконным исполнением, а также наличием высокостабилизированной диодной накачки. Несколько уступая по энергетическим характеристикам современным твердотельным лазерам, волоконные лазеры имеют значительные преимущества в частоте повторения импульсов (свыше 10 ГГц) и долговременной стабильности частоты (0.01 Гц). В последнее время волоконные лазеры все в большей степени способны решать и такие актуальные задачи современной лазерной физики, как генерация ультракоротких, в том числе и предельно коротких, оптических импульсов в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах, где традиционно применяются твердотельные лазеры [1]. Использование волоконных нелинейно-оптических методов открывает уникальные возможности для управления параметрами лазерного излучения, в частности, позволяет реализовать перестройку излучения в сверхшироком диапазоне частот, сверхуширение спектра, а также сжатие импульса до предельно короткой длительности.

При использовании традиционного метода лазерной генерации оптического излучения диапазон перестройки длины волны имеет фундаментальное ограничение, обусловленное шириной полосы активных сред. Доступный диапазон длин волн фемто секундного излучения, может быть до некоторой степени расширен с помощью подходов нелинейной оптики, основанных на использовании нелинейного смешения частот волн, генерации новых спектральных компонент в процессах вынужденного рассеяния, а также при параметрических процессах, в которых возможно реализовать плавную перестройку частоты излучения. В волоконных системах перестраиваемое по частоте фемтосекундное излучение может быть получено как в процессе генерации суперконтинуума, так и с помощью рамановской перестройки длины волны солитонных импульсов в нелинейных волокнах с аномальной дисперсией групповых скоростей [2, 3]. В этом отношении интересным представляется использование кварцевых световодов с уменьшающейся по длине аномальной дисперсией (DDF, dispersion-decreasing fiber), которые, как и стандартные световоды, могут быть легко включены в состав полностью волоконных систем, но предоставляют дополнительные возможности для управления параметрами импульса. До настоящего времени такие световоды использовались для сжатия импульсов и генерации суперконтинуума [4−8]. Первая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию возможностей сверхширокополосной' и высокоэффективной перестройки частоты фемтосе-кундного солитонного импульса в кварцевых световодах с уменьшающейся по длине дисперсией групповых скоростей. В данной работе показано, что такие световоды позволяют осуществлять перестройку спектра солитонного импульса как целого во всем диапазоне прозрачности кварцевых волокон с высокой эффективностью.

Проблема генерации предельно коротких лазерных импульсов длительностью вплоть до периода оптического колебания продолжает привлекать к себе пристальное внимание широких кругов исследователей [9, 10]. В последние годы проявляется устойчивый интерес к генерации таких сверхкоротких импульсов с помощью оптических систем в волоконном исполнении, где уже достигнуты определенные успехи и продемонстрированагенерация импульсов с малым числом периодов оптического поля [11−14]. Волоконные системы, генерирующие ультракороткие, в том числе и предельно короткие, оптические импульсы были использованы для? таких приложений, как спектроскопияс высоким временным разрешением и многофотонная* микроскопия [15], генерация и детектирование терагерцового излучения [16, 17], возбуждение нано-размерных нелинейных структур [18]. Для этих и многих других приложений весьма важным является не просто получение предельно коротких импульсов на фиксированной длине волны, но и возможность их частотной перестройки. Таким образом, актуальной является задача построения* полностью волоконного источника предельно коротких импульсов с возможностью перестройки центральной длины волны их спектра. Вторая глава диссертации посвящена решению этой задачи и построению полностью волоконного источника предельно коротких импульсов с возможностью перестройки центральной длины волны их спектра.

Не менее актуальной проблемой современной нелинейной оптики является генерация излучения с высокой пиковой интенсивностью и малой длительностью, которое также может быть получено с помощью волоконных систем. Последние достижения в разработке иттербиевых волоконных систем демонстрируют продвижение в область достаточно высокой энергии и малой длительности импульса, а соответственно, большой интенсивности, достаточной для изучения процессов взаимодействия сверхсильных лазерных полей с веществом, таких как генерация высоких гармоник и аттосекундных импульсов [19]. Тем не менее, несмотря на хорошую проработку иттербиевых усилителей, позволяющих достичь высокого уровня энергии и средней мощности, в силу отсутствия стандартных волокон с аномальной дисперсией в области 1 мкм, генерация коротких фемтосекундных импульсов в этом диапазоне в полностью волоконных системах является достаточно сложной и актуальной задачей. Третья глава диссертации посвящена созданию оригинальной гибридной эрбиево-иттербиевой системы для получения мощных коротких импульсов, в которой исходные фемтосекундные импульсы в диапазоне 1−1.1 мкм генерируются при нелинейном полностью волоконном* преобразовании сигнала эр-биевого задающего источника. Далее эти импульсы усиливаются до высокого уровня энергии по схеме усиления чирпированных импульсов, традиционно применяемой для мощных фемтосекундных систем.

Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы являются разработка и изучение перестраиваемых волоконных источников ультракоротких импульсов, включая.

1) разработку и экспериментальную реализацию методов плавной перестройки фемтосекундных импульсов в области длин волн 1.5−2 мкм в полностью волоконной системе на основе волокон с уменьшающейся по длине дисперсией групповых скоростей,.

2) экспериментальное и теоретическое исследование возможностей уши-рения спектра и сжатия перестраиваемого по-длине волны импульса до предельно короткой длительности,.

3) исследование нелинейного полностью волоконного преобразования излучения эрбиевого волоконного лазерного источника на длине волны 1.56 мкм в диапазон 1 мкм и разработку на этой базе двухдиапазонной оптически синхронизированной эрбиево-иттербиевой системы для генерации мощных фемтосекундных импульсов.

Научная новизна.

1. Впервые предложено использовать световоды с плавно уменьшающейся по длине дисперсией (DDF) для широкополосной перестройки центральной длины волны солитонного импульса. На основе световода DDF создана компактная полностью волоконная лазерная система, позволяющая генерировать солитонные импульсы, плавно перестраиваемые в диапазоне длин волн от 1.6−2.2 мкм.

2. Найдено семейство квазисолитонных импульсов, распространяющихся с сохранением формы и длительности при непрерывном уменьшении несущей частоты в световодах с плавно уменьшающейся по длине дисперсией.

3. На основе полностью волоконной эрбиевой системы предложена и экспериментально реализована новая схема создания оптических импульсов предельно короткой длительности с малым числом периодов оптического поля с плавно перестраиваемой центральной длиной волны в диапазоне 1.7−2.0 мкм.

4. Предложена и экспериментально реализована новая полностью волоконная схема создания оптически синхронизированных фемтосекундных импульсов на двух сильно различающихся длинах волн (1−1.1 мкм и 1.6−1.8 мкм) в ближнем инфракрасном диапазоне на базе эрбиевого волоконного лазера и кварцевого световода со смещенной точкой нулевой дисперсии.

Практическаязначимость.

1. Созданы компактные волоконные лазерные системы, позволяющие генерировать перестраиваемые в диапазоне 1.6−2.2 мкм высококачественные фемтосекундные импульсы, которые могут найти применения для таких научных, биомедицинских и технических приложений, как нелинейная спектроскопия и микроскопия, телекоммуникации и генерация терагерцового излучения, наномодификация материалов.

2. Развитые в диссертации методы плавной высокоэффективной перестройки длины волны импульса в световодах с переменной дисперсией могут быть положены в основу создания источника фемтосекундных импульсов в среднем инфракрасном диапазоне до длины волны 4−5 мкм с использованием прозрачных в этом диапазоне волокон переменного диаметра из стекол специального состава.

3. Создана мощная двухдиапазонная волоконная система, генерирующая импульсы в диапазонах 1−1.1 мкм и 1.6−1.8 мкм, которая может быть использована как задающий источник оптически синхронизированных импульсов для каналов накачки и сигнала мощных параметрических усилителей света, а также в экспериментах. типа «накачка-зондирование» .

На защиту выносятся следующие положения:

1. Полностью волоконная система на базе световода с уменьшающейся по длине аномальной дисперсией (DDF — dispersion-decreasing fiber) осуществляет плавную перестройку центральной длины волны солитонного импульса в широком диапазоне 1.5−2.2 мкм за счет совместного действия эффектов адиабатического сжатия солитона в DDF и вынужденного рамановского рассеяния.

2. В световоде с плавно уменьшающейся по длине дисперсией могут распространяться устойчивые квазисолитонные импульсы, у которых отстройка центральной частоты от точки нуля дисперсии и длительность зависят только от их энергии.

3. Полностью волоконная система, состоящая из эрбиевого задающего лазера с синхронизацией мод, волоконного усилителя с диодной накачкой, световода с плавно уменьшающейся дисперсией, высоконелинейного световода с нормальной дисперсией и линейного волоконного компрессора, способна генерировать, предельно короткие импульсы, содержащие 4 периода колебаний поля, перестраиваемые по длине волны в диапазоне 1.7−2 мкм.

4. В полностью волоконной гибридной эрбиево-иттербиевой системе фем-тосекундные импульсы высокого качества в диапазоне длин волн 1−1.1 мкм могут быть получены с помощью нелинейного преобразования излучения эрбиевого задающего лазера в кварцевом волокне со смещенной дисперсией^ и могут быть далее усилены в мощном иттербиевом усилителе до уровня энергии 100 нДж.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием экспериментальных результатов с численными расчетами и приближенными аналитическими оценками. По первой главе — измеренные в эксперименте спектры и автокорреляционные функции перестраиваемых по длине волны солитонов в световоде DDF, а также зависимости длины волны и длительности солитонов от энергии" согласуются с результатами численного моделирования и аналитическими, оценками. По второй главе — имеется согласие измеренного спектра суперконтинуума и восстановленной из автокорреляционных измерений формой импульса с результатами численного моделирования. По третьей главе — имеется соответствие картины эволюции спектра мощного фемтосе-кундного импульса в световоде со смещенной дисперсией с численным моделированием. Также имеется согласие измеренного положения спектрального пика излучения линейных дисперсионных волн с расчетным значением, полученным из условия фазового синхронизма.

Апробация работы.

Основные результаты, работы докладывались на российских и международных научных конференциях International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT 2007, Minsk, Belarus), International. Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/Europe-IQEC (Munich, Germany, 2007), Всероссийской конференции no волоконной оптике (Пермь, 2007 г.), Российском-семинаре по волоконным лазерам (Новосибирск, 2007 г.), International Conference on Laser Optics (St. Petersburg, 2008), International Conference Photonics West (San Jose, California USA, 2008), 4th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and Then-Applications (St. Petersburg, 2008), International Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/Europe-EQEC (Munich, Germany, 2009 — приглашенный доклад), 26th Progress in Electromagnetics Research Symposium. (PIERS 2009, Moscow), IX Международном симпозиуме по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС 2009, Казань), семинарах ИПФ РАН, семинарах университета г. Ноттингем и Университета Астон (Великобритания). Результаты, полученные в ходе выполнения работы, вошли в Отчет РАН за 2006 г. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из которых 5 статей в реферируемых научных журналах [20−24], 3 статьи в сборниках трудов и 10 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и трех приложений. Общий объем диссертации 156 страниц, включая 51 рисунок. Библиография включает 130 наименований.