Спектрально-временные преобразования сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных световодах, страница 4

Улучшение частотнойстабилизации ведет к уменьшению флуктуаций временной задержки сдвинутого вдлинноволновую область солитона, обеспечивая возможность более точной синхронизациисолитонного излучения с другими оптическими компонентами, инициированными лазернымимпульсом, поступающим на вход МС-волокна.Помимо солитона и двух пиков, образовавшихся в результате четырехволновоговзаимодействия, в выходном спектре излучения 6-ти фемтосекундного лазерного импульсаприсутствует спектральная линия с центральной длиной волны равной примерно 0.55 мкм(см. рис. 4). Эта спектральная линия возникает в результате резонансного обмена энергии междусолитоном и излучением дисперсионных волн.

Это явление, подробно рассмотренное впараграфе §4.1.3, обычно называют черенковским излучением, оно обусловленонестабильностью солитона, вызванной дисперсией высоких порядков.Как правило, черенковское излучение солитонов проявляется в виде интенсивныхспектральных линий в коротковолновой части спектра широкополосного излучения (см. рис. 5б),формируемого на выходе МС-волокна при условии, что хотя бы часть спектра входногоизлучения попадает в область аномальной дисперсии или переносится в эту область в результатенелинейно-оптических взаимодействий уже в самом волокне [18, 21]. Центральную частотуспектральной линии черенковского излучения, на которой резонансное усиление дисперсионных- 11 -Фазовая расстройка, см-140320210(а)-200,60,70,80,91,01,1Спектральная интенсивность, отн. ед.волн происходит наиболее эффективно, позволяет определить анализ фазовой расстройки междупостоянными распространения солитона и черенковского излучения (см.

рис. 5а).Параметры,использованныепримоделированиираспространения30-тифемтосекундного лазерного импульса, выходной спектр которого представлен на рис. 5б,приводят к возбуждению большого числа солитонов. В результате, на выходе из волокначеренковское излучение солитонов разных порядков практически полностью покрываетдиапазон длин волн 0.52-0.70 мкм, что полностью согласуется с анализом фазовой расстройки,представленной на рис.

5а. Таким образом, можно сделать важный вывод о том, чтомногосолитонный режим распространения в МС-волокне приводит к генерациисуперконтинуума, в котором коротковолновое крыло образовано черенковским излучениемсолитонов разного порядка, а длинноволновая часть спектра возникает за счет явлениясолитонного сдвига частоты.Черенковскоеизлучение1Солитонноеизлучение-110-210(б)0,50,60,7Длина волны, мкм0,80,91,01,1Длина волны, мкмРис. 5. (а) ─ фазовая расстройка ∆β = β s ( λ0 ) − β ( λd ) между постоянными распространения солитона сцентральной длиной волныλ0и черенковского излучения на длине волныλdкак функция, зависящая отλd ,для фундаментальной моды МС-волокна (см.

фотографию на вставке). Центральная длина волны солитонадля разных кривых принимает значения 0.82 мкм (1), 0.85 мкм (2), 0.88 мкм (3), а его пиковая мощностьравнялась 7 кВт. (б) ─ Спектральная интенсивность лазерного импульса на выходе из 7-ми сантиметровогоотрезка МС-волокна, в случае распространения в фундаментальной моде. Результаты моделированияполучены при помощи уравнения волноводного распространения (1) для лазерного импульса длительностью30 фс с начальной пиковой мощностью 7 кВт.Иногда, например, при создании высокоэффективных усилителей пикосекундныхимпульсов или при разработке волоконно-оптических линий связи, требуется наоборот иметьвозможность сжимать спектр лазерного импульса.

В отличие от техники линейной фильтрации,при которой спектральные компоненты, не попадающие в выбранный частотный диапазон,просто отсекаются, спектральное сжатие фокусирует всю энергию излучения в определённоминтервале длин волн за счёт нелинейно-оптического преобразования спектра исходногоимпульса. При стандартном способе спектрального сжатия используют отрицательночирпированные лазерные импульсы, которые распространяют в среде с нормальной дисперсиейгрупповой скорости.

В параграфе §4.1.4 рассмотрена альтернативная оригинальная техникаспектрального сжатия фемтосекундных лазерных импульсов, которая заключается в том, чтобыиспользовать МС-волокно с аномальной дисперсией групповой скорости. Была исследованаспектральная эволюция реального 50-ти фемтосекундного импульса с центральной частотой 1.04мкм, генерируемого иттербиевым твёрдотельным лазером (Yb DPSSL) в высоко нелинейном- 12 -0,7(а)z = 2 cm0,01,00,5z = 4 cm0,01,00,5z = 6 cm0,01,00,5z = 8 cm0,0-200-1000Время, фс100200Спектральная интенсивность, отн. ед.1,40,3(б)z = 2 cm1050,00,3010z = 4 cm50,00,3010z = 6 cm50,00,30Нелинейная фаза, πОгибающая интенсивности, отн.

ед.МС-волокне, изготовленном в университете Бата. В процессе исследования былипромоделированы результаты экспериментов с использованием Yb DPSSL лазера, подробнопредставленные в работах [2, 3].Было показано, что при сжатии спектра в режиме аномальной дисперсии групповойскорости, на выходе из МС-волокна получаются спектрально ограниченные импульсы, чтоявляется отличительной чертой рассмотренной методики [2, 3].

Благодаря чему, её использованиеимеет блестящие перспективы как в случае время-разрешенных измерений при нелинейноймикроспектроскопии, так впрочем, и для конструирования волоконных лазерных систем иисточников электромагнитного излучения, состоящего из нескольких циклов поля [3].При определённых условиях солитонные режимы распространения могут поддерживатьне только волокна с диэлектрической сердцевиной, но и полые фотонно-кристаллическиеволноводы, которые в пределах своей полосы пропускания обеспечивают широкую областьаномальной дисперсии групповой скорости (см. рис.

3). Причём, если в обычных волокнах ствердотельной сердцевиной порядок пиковой мощности солитона с длительностью 100 фсобычно составляет примерно 102 Вт, то, как показано в параграфе §4.1.5, благодаря болеевысокому порогу оптического пробоя газовой среды по сравнению с порогом пробояпрозрачного диэлектрика, полые фотонно-кристаллические волокна позволяют реализоватьсолитонные режимы распространения для фемтосекундных лазерных импульсов мегаваттного идаже гигаватного уровня пиковой мощности (см.

рис. 6).10z = 8 cm50,00,760,780,800,820Длина волны, мкмРис. 6. Временная (a) и спектральная (b) эволюция лазерного импульса в заполненном аргоном при давлении 0.03бара полом ФК-волокне: (a) огибающая интенсивности лазерного импульса с начальной пиковой мощностью 2ГВт (сплошная линия) и 0.2 ГВт (пунктирная линия); (b) спектральная интенсивность (сплошная линия) инелинейная фаза (пунктирная линия) лазерного импульса с начальной пиковой мощностью 2 ГВт. Начальнаядлительность импульса 50 фс.В данном параграфе было продемонстрировано, что ионизационные эффекты играютважную роль в солитонной динамике распространения высокомощных лазерных импульсов вполых ФК-волокнах.

Численное моделирование эволюции фемтосекундных лазерных импульсовс учётом ионизационных эффектов выявило два различных сценария солитонной динамики,которые управляются значением потенциала ионизации газа, заполняющего сердцевину волокна.Так, заполнение ФК-волокна газом с высоким потенциалом ионизации позволяет сформироватьсолитон гигаватного уровня мощности и поддерживать его в стабильном состоянии напротяжении большой длины распространения.

В случае газа с низким потенциалом ионизации,формированию стабильного высокомощного солитона препятствует синий частотный сдвиг,смещающий спектр импульса в область нормальной дисперсии и высоких волноводных потерь.- 13 -Солитоны столь высокой мощности являются новым уникальным объектом оптическойфизики, а полые ФК-волокна, способные поддерживать распространение гигаватных лазерныхимпульсов, представляют значительный интерес для транспортировки высокомощныхсверхкоротких оптических сигналов, создания перестраиваемых по частоте источниковвысокомощных сверхкоротких световых импульсов, а также для разработки волоконныхинструментов лазерной хирургии и офтальмологии [5, 6].Однимизосновныхклассовнелинейно-оптическихпроцессовявляютсячетырехволновые взаимодействия, широко использующиеся в спектроскопическихприложениях, а также для преобразования частоты излучения и управления сверхкороткимиимпульсами.

Раздел 4.2 посвящён уникальными возможностями микроструктурированных иполых фотонно-кристаллических волокон синхронизировать четырехволновые взаимодействия врежиме изолированных волноводных мод, что позволяет радикально увеличить мощностьнелинейного сигнала, а значит повысить эффективность преобразования частоты итрансформации спектра фемтосекундных лазерных импульсов.В параграфе §4.2.1 рассматривается вырожденное четырёхволновое взаимодействие, какчастный случай параметрического процесса, в котором распространение лазерного излучения сдлиной волны ω p в нелинейно-оптическом световоде приводит к генерации новых частотныхкомпонент вследствие параметрического распада светового импульса 2ω p = ωs + ωa .