Волоконные иттербиевые лазеры сверхкоротких импульсов без внутрирезонаторной компенсации дисперсии с использованием нелинейного волоконного зеркала и модулятора на основе углеродных нанотрубок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Бородкин, Андрей Александрович

• Бородкин, Андрей Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Бородкин, Андрей Александрович

Оглавление

Список используемых сокращений

Введение

Глава 1. Распространение импульсного излучения в оптических волокнах

1.1. Строение и свойства оптических волокон

1.2. Модели световых импульсов

1.3. Нелинейное уравнение Шредингера

1.4. Дисперсия в оптическом волокне

1.5. Фазовая самомодуляция

1.6. Численные методы решения нелинейного уравнения Шредингера

1.7. Выводы к главе

Глава 2. Основные принципы формирования УКИ в волоконных резонаторах

2.1. Синхронизация мод как способ получения лазерных УКИ

2.2. Основные режимы стабильной импульсной генерации в волоконных резонаторах

2.3. Флуктуационная модель формирования УКИ

2.4. Способы амплитудной самомодуляции излучения в резонаторе

2.5. Нестабильность импульсной генерации, связанная с модуляцией добротности

2.6. Способы измерения длительности ультракоротких импульсов

2.7. Компрессия чирпованного импульса дифракционными решетками

2.8. Выводы к главе

Глава 3. Импульсные иттербиевые волоконные лазеры с модулятором

на основе нелинейного волоконного зеркала

3.1. Пикосекундный лазер с НВЗ

3.2. Субнаносекундный волоконный лазер с НВЗ

3.3. Второй режим генерации волоконного лазера с НВЗ

3.4. Выводы к главе

Глава 4. Исследование насыщающегося поглощения композитных полимерных пленок на основе графена и ОУНТ

4.1. Методика получения и измерение параметров композитных пленок с углеродными наноструктурами

4.2. Многослойный графен, полученный механической эксфолиацией

4.3. Методики измерения свойств насыщенного поглощения

4.4. Измерение свойств нелинейного поглощения опытных образцов композитных пленок

4.5. Измерение свойств нелинейного поглощения листов графена, полученного механической эксфолиацией

4.6. Измерение порогов оптического разрушения образцов на основе полимера КМЦ

4.7. Выводы к главе

Глава 5. Импульсный иттербиевый волоконный лазер с нелинейным модулятором на основе композитной полимерной пленки с ОУНТ

5.1. Схема волоконного резонатора

5.2. Исследование параметров волоконного осциллятора с насыщающимся поглотителем ОУНТ-КМЦ

5.3. Обсуждение результатов

5.4. Выводы к главе

Заключение Список литературы

Список используемых сокращений

УКИ - ультракороткий импульс

НВП - нелинейное вращение поляризации

НВЗ - нелинейное волоконное зеркало

НОКЗ - нелинейное оптическое кольцевое зеркало

НУКЗ - нелинейное усиливающее кольцевое зеркало

КМЦ - карбоксиметилцеллюлоза

ОУНТ - одностенные углеродные нанотрубки

SSFM (Split-Step Fourier Method) - Фурье-метод расщепления по физическим параметрам

ФСМ - фазовая самомодуляция

SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) - зеркало с

полупроводниковым насыщающимся поглотителем

ВУПГ - высокоориентированный пиролитический графит

FWHM (Full Width at Half Maximum) - полная ширина на половине высоты

МО - механичекое отслоение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Волоконные иттербиевые лазеры сверхкоротких импульсов без внутрирезонаторной компенсации дисперсии с использованием нелинейного волоконного зеркала и модулятора на основе углеродных нанотрубок»

Введение

Актуальность проблемы

Импульсные волоконные лазеры находят широкое применение в науке и

технике (тонкая обработка материалов, гравировка, резка метала и т.д.), в медицине и др. Неоспоримыми преимуществами волоконных лазеров является их компактность, простота изготовления, возможность получения больших мощностей и стабильность. Для реализации и стабилизации импульсного режима генерации используют внутрирезонаторные нелинейные модуляторы интенсивности излучения, обеспечивающие пассивную синхронизацию мод лазера. Такими модуляторами являются зеркала с полупроводниковым насыщающимся поглотителем (SESAM), модуляторы на основе эффекта нелинейного вращения эллипса поляризации, нелинейные волоконные зеркала, насыщающиеся поглотители на основе одностенных углеродных нанотрубок и графена и др.

Нормальная дисперсия групповой скорости при распространении короткого импульса в прозрачной среде приводит к временным и спектральным изменениям первоначального импульса. Большинство волоконных лазеров ультракороткой длительности импульса (УКИ) работают в условиях формирования обычного солитона, когда вклады нелинейной фазовой самомодуляции и дисперсии компенсируют друг друга. В волоконных лазерах УКИ, работающих в режиме растянутого импульса, на длине волны 1.55 мкм проблему дисперсионного расплывания импульса решают с помощью введения участков волокна с аномальной дисперсией, которые компенсируют влияние участков с нормальной дисперсией. Задача усложняется при переходе на длину волны генерации вблизи 1 мкм. Существует ограниченное количество методов получения аномальной дисперсии для излучения на этой длине волны, таких как введение в резонатор микроструктурированных и многомодовых волокон с аномальной

дисперсией в области 1 мкм, использование в резонаторе дифракционных решеток и волоконных чирпованных брэгговских решеток. Однако, все они усложняют схему волоконного лазера. По этой причине, в настоящее время активно исследуются способы создания импульсных волоконных лазеров со схемой резонатора, где используются элементы только с нормальной дисперсией групповой скорости. Более того, такие лазеры позволяют получать импульсы с энергией до нескольких десятков наноджоулей, что на пару порядков превышает энергии импульсов для других вариантов волоконных лазеров УКИ. В случае резонатора с полностью нормальной дисперсией образующих элементов генерация УКИ также возможна в режиме диссипативного солитона, когда фазовая самомодуляция и дисперсионное уширение импульса компенсируются спектральным селективным элементом.

Как правило, генерация УКИ в волоконных лазерах осуществляется при помощи пассивной синхронизации мод [1]. Этот метод заключается в генерации большого числа продольных мод с таким фазовым соотношением, что происходящая между ними интерференция приводит к биениям, в результате этого временная зависимость интенсивности излучения приобретает вид периодической последовательности импульсов. Для получения пассивной синхронизации мод обычно применяют устройства, обеспечивающие амплитудную самомодулюцию излучения. Подобными устройствами являются насыщающиеся поглотители, поглощение которых уменьшается с увеличением интенсивности проходящего через них излучения. В качестве таких поглотителей обычно используют красители и зеркала с полупроводниковым насыщающимся поглотителем. В последнее время в качестве перспективных материалов для синхронизации мод в импульсных волоконных лазерах стали применять пленки полимерных композитов с ОУНТ и граненом. Как известно, графен и углеродные нанотрубки имеют полосу поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне и

субпикосекундное время релаксации. Их основным преимуществом является относительно простая технология изготовления, а также возможность использования в кольцевых схемах лазеров, где требуется насыщающийся поглотитель, работающий в режиме пропускания излучения. Синхронизация мод, основанная на насыщающихся поглотителях, отличается стабильностью и самозапуском импульсной генерации. Свойства углеродных наноструктур зависят от способов их изготовления. По этой причине, для определения оптимальных режимов их работы в качестве модулятора лазерного излучения, важно исследовать параметры насыщающегося поглощения.

Поскольку внутрирезонаторная энергия импульсов в лазерах с нормальной дисперсией резонатора высока, при использовании полимерных пленок с ОУНТ в качестве внутрирезонаторных модуляторов встает задача нахождения таких режимов генерации, при которых нет опасности деградации пленок в результате оптического и термического разрушения.

Одним из основных недостатков большинства волоконных лазеров является нестабильность, связанная с "дрейфом" состояния поляризации вследствие внешнего изменения температуры и внутренних напряжений в одномодовом волокне. Для сохранения состояния поляризации вдоль одной из осей оптического волокна используют специальные волокна с поддержкой поляризации. В осцилляторах, выполненных на таких волокнах, поляризация излучения практически не реагирует на внешние условия, что позволяет достигать стабильных выходных характеристик осциллятора, за счет сохранения внутрирезонаторного состояния поляризации. Одним из перспективных способов получения УКИ в рассматриваемых лазерах и представляющим полностью волоконное исполнение является нелинейное волоконное зеркало (НВЗ). В настоящее время существует незначительное число работ с описанием лазеров с НВЗ, выполненным полностью на волокне с поддержкой поляризации. Поэтому разработка таких лазеров является перспективной задачей.

Цель работы

Целью данной работы является разработка и детальное исследование импульсных волоконных лазеров без компенсации нормальной дисперсии резонатора на длине волны вблизи 1 мкм с пассивной синхронизацией мод с помощью модуляторов на основе нелинейного волоконного зеркала и одностенных углеродных нанотрубок и графена.

Для достижения заявленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработать волоконный лазер с модулятором на основе нелинейного волоконного зеркала, выполненный на волокне с поддержкой поляризации без компенсации нормальной дисперсии резонатора.

2) Исследовать и провести сравнение свойств насыщающегося поглощения пленочных композитных материалов с одностенными углеродными нанотрубками и графеном. Измерить пороги оптического разрушения исследуемых поглотителей.

3) Разработать волоконный лазер без компенсации нормальной дисперсии с модулятором на основе углеродных наноструктур. Исследовать влияние насыщающегося поглотителя на режим импульсной генерации.

4) Разработать программу для математического моделирования распространения лазерного излучения в оптических волокнах. С помощью программы промоделировать условия генерации и параметры излучения разработанных волоконных осцилляторов.

Научная новизна:

• С помощью модулятора на основе нелинейного волоконного зеркала

получена стабильная генерация пикосекундных и субнаносекундных импульсов на длине волны вблизи 1 мкм в волоконном кольцевом резонаторе, выполненном полностью на волокне с поддержкой поляризации и без компенсации нормальной дисперсии резонатора.

• Проведено измерение и сравнение свойств насыщающегося поглощения и пороги оптического разрушения многослойного графена на кварцевой подложке, полученного механическим отслоением от ВУПГ, и композитных пленок на основе карбоксиметилцеллюлозы с одностенными углеродными нанотрубками и графеном

• Предложен комбинированный способ синхронизации мод в волоконном лазере на основе эффекта нелинейного вращения поляризации и насыщающегося поглощении пленочного модулятора с одностенными углеродными нанотрубками. Предложенный метод, с одной стороны, обеспечивает пассивную синхронизацию мод при малых интенсивностях излучения, что предотвращает оптическое разрушение полимерной пленки, а, с другой стороны обеспечивает самозапуск импульсной генерации.

• Получена генерация УКИ волоконного лазера на длине волны 1 мкм без компенсации нормальной дисперсии резонатора с комбинированным модулятором на основе ОУНТ-КМЦ. Исследованы режимы работы лазера и сделаны выводы о совместном влиянии модуляторов ОУНТ-КМЦ и НВП на режим импульсной генерации.

Положения, выносимые на защиту:

1) Импульсная генерация волоконного лазера на длине волны 1 мкм с

модулятором на основе НВЗ, выполненым полностью на волокне с поддержкой поляризации без компенсации нормальной дисперсии, показана в двух режимах с длительностью импульса 36 пс и с длительностью импульса 400 пс.

2) Разработанная программа для численного моделирования волоконных осцилляторов позволяет вычислять параметры выходного излучения резонатора в стабильном режиме импульсной генерации и изучать динамику изменения спектральных и временных параметров импульса внутри резонатора.

3) Измеренные параметры насыщающегося поглощения и пороги оптического разрушения модуляторов на основе одностенных углеродных нанотрубок и графена позволяют определить интенсивности излучения, при которых они могут применяться для синхронизации мод лазерного излучения.

4) Предложенный способ комбинированной синхронизации мод, основанный на эффекте нелинейного вращения поляризации и насыщающемся поглощении ОУНТ, обеспечивает быстрый самозапуск импульсного режима генерации и позволяет снизить энергию импульсов, необходимую для стабильной генерации УКИ, ниже порога оптического пробоя пленочного модулятора ОУНТ-КМЦ.

5) Представленный волоконный лазер УКИ с комбинированной синхронизацией мод, основанной на эффекте НВП и насыщающемся поглощении ОУНТ, отличается быстрым самозапуском импульсной генерации и долговременной стабильностью выходных характеристик.

Теоретическая и практическая значимость работы

•Разработан волоконный пикосекундный лазер с перестраиваемой

длиной волны генерации от 1.02-1.05 мкм, отличающийся температурной и поляризационной стабильностью выходного излучения.

•Разработан полностью волоконный субнаносекундный лазер на длине волны 1.03 мкм с шириной спектра 0.04 нм. Лазер выполнен полностью на волокне с поддержкой поляризации, что обеспечивает температурную и поляризационную стабильность излучения.

• Разработана программа для численного моделирования процесса распространения лазерного излучения в оптических волокнах. Программа позволяет выполнять поиск оптимальных режимов и расчет параметров выходного излучения для случая стабильной импульсной генерации волоконных лазеров.

•Разработан волоконный лазер с комбинированным модулятором на основе углеродных нанотрубок с длительностью выходного импульса 1.7 пс. Благодаря возможности компрессии выходного импульса до длительности 183 фс, он имеет большое количество применений в качестве лазера УКИ.

• Предложен комбинированный способ синхронизации мод на эффекте НВП с применением модулятора на основе одностенных углеродных нанотрубок, обеспечивающий стабильную генерацию УКИ с энергией ниже порога оптического пробоя пленочного модулятора ОУНТ-КМЦ.

Достоверность

Достоверность и надежность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается воспроизводимостью, соответствием экспериментальных и расчетных результатов и реализацией на их основе действующих экспериментальных лазеров.

Личный вклад

Все представленные в работе результаты получены соискателем лично, либо в соавторстве с его непосредственным участием. Образцы композитных пленок карбоксиметилцеллюлозы с одностенными углеродными нанотрубками и графеном были изготовлены непосредственно Лобачем А.С в ИПХФ РАН.

Апробация работы

Основные представленные в работе результаты были доложены на

следующих международных и всероссийских конференциях:

1) 6th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and their Applications, 15th International Conference "Laser 0ptics-2012", 25-29 June 2012, St. Petersburg, Russia

2) Научная сессия НИЯУ МИФИ-2014, 27 января - 2 февраля 2014 г., Москва, Россия

3) 57-ю научную конференцию МФТИ с международным участием, посвященную 120-летию со дня рождения П.Л. Капицы, 24-29 ноября 2014 г., Долгопрудный, Россия

4) IV Международная конференция по фотонике и информационной оптике, 28 — 30 января 2015 г., Москва, Россия

5) Научная сессия НИЯУ МИФИ-2015, 16-20 февраля 2015 г., Москва, Россия

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации автором были опубликовано 6 статей из них 4 в

трудах конференций и 2 в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1) Khudyakov D.V., Borodkin A.A., Lobach A.S., Vartapetov S.K. Allnormal dispersion Yb-doped ultrafast fiber laser at 1067 nm // 6th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and their Applications, 15th International Conference "Laser Optics-2012" (25-29 June 2012, St. Petersburg, Russia).

2) Khudyakov D.V., Borodkin A.A., Lobach A.S., Ryzhkov A.V., Vartapetov S.K. Saturable absorption of film composites with single-walled carbon nanotubes and graphene//Appl. Opt. 2013. V. 52. No. 2. P. 150-154.

3) Худяков Д.В., Бородкин A.A., Лобач A.C., Вартапетов C.K. Сравнительная характеристика насыщающегося поглощения многослойного графена, полученного механическим отслоением и термическим ударом интеркалированного графита // Научная сессия МИФИ - 2014, Сборник научных трудов 2014. 2014. Т.2. С. 11.

4) Бородкин A.A., Худяков Д.В., Вартапетов С.К. Субнаносекундный иттербиевый лазер с нелинейным зеркалом полностью на волокне с поддержкой поляризации // Труды 57-й научной конференции МФТИ с международным участием, Всероссийской научной конференции с

международным участием "Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных наук в области физики". 2014. С. 69-71.

5) Бородкин A.A., Худяков Д.В., Вартапетов С.К. Субнаносекундный мегагерцевый иттербиевый лазер полностью на волокне с поддержкой поляризации // IV международная конференция по фотонике и информационной оптике, Сборник научных трудов. 2014. С. 86-87.

6) Бородкин A.A., Худяков Д.В., Вартапетов С.К. Генерация пикосекундных импульсов в волоконном иттербиевом лазере с нелинейным волоконным зеркалом (эксперимент и математическое моделирование) // Квант, электроника. 2015. Т. 45. № 2. С. 98-101.

По теме диссертации получено три патента:

1) Бородкин A.A., Худяков Д.В., Вартапетов С.К. Модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками // Патент РФ № 2485562. 2013.

2) Худяков Д.В., Вартапетов С.К., Бородкин A.A. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса // Патент РФ № 2540064. 2015.

3) Худяков Д.В., Вартапетов С.К., Бородкин A.A. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса // Патент РФ № 2540484. 2015.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем

диссертации - 140 страниц, включая 77 рисунков, 2 таблицы и библиографию, содержащую 95 наименований.

В первой главе описываются параметры оптических волокон и основные процессы, происходящие с лазерным излучением при распространении по оптическому волокну. Представлен обзор литературы, посвященный численному моделированию усиления лазерного излучения в активных волокнах. Рассмотрены математические модели для описания

распространения лазерного излучения в нелинейных средах и различные способы численного моделирования этого процесса.

Во второй главе рассматриваются различные способы модуляции лазерного излучения в резонаторе для получения пассивной синхронизации мод. Рассмотрены их свойства и проведено сравнение представленных способов модуляции между собой. Также рассмотрен вопрос нестабильности импульсной генерации, связанной с модуляцией добротности. Описаны различные способы измерения ультракоротких импульсов и метод компрессии частотно-модулированных импульсов с помощью пары дифракционных решеток.

В третьей главе представлены два волоконных лазера, выполненных полностью на волокне с поддержкой поляризации без компенсации нормальной дисперсии резонатора. Представлены параметры выходного излучения лазеров и проведено изучение режимов генерации. С помощью разработанной программы проведено математическое моделирование представленных волоконных резонаторов, с помощью численного решения нелинейного уравнения Шредингера.

Четвертая глава посвящена изучению параметров модуляторов на основе ОУНТ и графена. Проведено исследование количественных и качественных характеристик пленок с наноструктурами, подтверждающее качество содержащегося в них материала. С помощью методов г- и р-сканирования проведено измерение их свойств насыщающегося поглощения и проведено сравнение получившихся значений. Оценен рабочий диапазон интенсивности излучения на представленных образцах для стабильной синхронизации мод лазерного излучения.

В пятой главе представлен волоконный лазер с комбинированным способом пассивной синхронизацией мод на основе НВП модулятора и насыщающегося поглощения ОУНТ. Исследованы режимы работы лазера и сделаны выводы о совместном влиянии модуляторов ОУНТ-КМЦ и НВП на режим импульсной генерации.

Глава 1. Распространение импульсного излучения в оптических волокнах

1.1. Строение и свойства оптических волокон

1.1.1. Распространение света в оптических волокнах

Оптическое волокно представляет собой тонкую нить из оптически

прозрачного материала, способную переносить свет за счет полного внутреннего отражения. Обычно волокно имеет круглое сечение и состоит из сердцевины и оболочки. Для выполнения условия полного внутреннего отражения сердцевина изготавливается из материала с большим показателем преломления, чем у оболочки. Световоды с низкими потерями изготавливаются из кварцевого стекла, состоящего из плавленого кварца 8Ю2. Для получения различных коэффициентов преломления сердцевины и оболочки в процессе изготовления применяют примеси. Для увеличения коэффициента преломления (сердцевина) кварца применяют Се02 и Р2О5. В оболочке обычно используют фториды, добавление которых приводит к уменьшению показателя преломления кварца. Большинство оптических волокон имеют ступенчатый профиль показателя преломления, обусловленный резким изменением показателя преломления кварцевого стекла при переходе от сердцевины к оболочке. В этом случае можно легко посчитать критический угол, при превышении которого нарушается условие полного внутреннего отражения и излучение начинает выходить из сердцевины волокна.

п >

8110,=- (1.1)

Важной особенностью волокна является передача излучения без потерь, даже при наличии изгибов волокна. Для стандартных волокон при радиусе изгиба волокна порядка 10 см потери излучения не наблюдается. Однако, при значительном изгибе угол падения излучения на стенку световода начинает

превышать критический угол в результате чего часть излучения выходит из волокна. Также большие потери могут вносить микроизгибы волокна, связанные с шероховатостью поверхности, на которую закреплено волокно.

Одним из самых важных параметров оптического волокна является числовая апертура, которая характеризует способность волокна собирать в себя излучение. Числовая апертура это синус максимального угла, под которым излучение можно завести в волокно, чтобы оно распространялось без потерь, и, следовательно, определяет угол расходимости излучения на выходе из волокна. Как видно из определения апертура волокна связана с критическим углом и зависит от коэффициентов преломления сердцевины и оболочки. Для случая волокна со ступенчатым профилем показателя преломления числовую апертуру можно найти по формуле:

,где П1 - показатель преломления сердцевины, п2 - показатель преломления оболочки.

При прохождении излучения по оптическому волокну существует ограниченное количество возможных способов распространения. Если излучение по волокну может распространяться только одним способом, с гауссовым поперечным профилем интенсивности основной моды, его называют одномодовым, а если мод распространения несколько -многомодовым. Количество мод, распространяющихся по волокну определяется из решения уравнений Максвелла при соответствующих граничных условиях для пространственного распределения поля в волокне. Данная задача является достаточно сложной, поэтому обычно пользуются параметром V [2]:

Параметр V определяет количество мод, распространяющихся по

(1.2)

(1.3)

, где к0 — 2 я/Я, а - радиус сердцевины, X - длина волны света.

волокну. Для случая ступенчатого профиля показателя преломления световод поддерживает только одному моду, когда параметр V меньше 2.405. Главное различие между одномодовыми и многомодовыми волноводами заключается в различии диаметра сердцевины. Так для одномодовых волокон диаметр сердцевины составляет примерно 3.6-8 мкм для длины волны 1 мкм, а для телекоммуникаций на длине волны 1.55 мкм - 9 мкм. Диаметр сердцевины многомодовых волокон обычно составляет несколько десятков микрометров. Диаметр оболочки не столь важен и должен удерживать в себе полностью поле излучения моды световода. Важным параметром для одномодовых волокон является длина волны отсечки, которая определяет минимальную длину волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду. Для длин волн короче длины волны отсечки оптическое волокно является многомодовым. При распространении излучения по многомодовому волокну различные моды движутся под разными углами, в результате чего скорость распространения мод различна, что приводит к дисперсии импульса. Такая дисперсия называется многомодовой или модовой. В одномодовых волокнах этот вид дисперсии отсутствует.

Несмотря на то, что пространственные свойства оптических волокон играют малую роль в волоконных осцилляторах, существуют параметры, которые непосредственно используются в расчетах. Обычно для простоты расчетов используется гауссово приближение распределения поля основной моды (1.4) , которое с хорошей точностью описывает экспериментальные данные [3].

Здесь со - размер моды, который можно получить из следующей аппроксимации

(1.4)

, где а - диаметр сердцевины волокна и параметр V можно найти по формуле (1.3).

Распределение интенсивности излучения в волокне определяется

л

следующим выражением I(r)=|F(r)| . Причем, для заданного значения мощности Р лазерного излучения, распространяющегося в волокне, должно выполняться условие

гс!п,1

\l(r)2nrdr = P (16)

о

где rclad - радиус оболочки волокна.

1.1.2. Одномодовое волокно

Диаметр сердцевины одномодового волокна сопоставим с длиной волны

излучения, в результате чего излучение может распространяться только по

одному пути, а именно непосредственно через середину волокна.

Распространяющуюся по одномодовому волокну моду называют ТЕМ.

Вектора электрического и магнитного поля для нее направлены

перпендикулярно направлению распространения. Лазерное излучение в

таком волокне проще всего представить в виде электромагнитной волны, так

как представление в виде лучей для этого случая не работает. Электрическое

и магнитное поле экспоненциально убывают при удалении от центра

волокна. Однако, часть электромагнитного поля идет по оболочке.

Получается, что излучение распространяется не только по сердцевине, но и

по оболочке, поэтому для того чтобы охарактеризовать область, в которой

движется излучение, переходят к рассмотрению поля моды. А радиусом

оптического пучка в волокне считают расстояние от сердцевины до области,

где поле убывает в е раз, а плотность мощности в е2 раз от максимального

значения, и обозначают со, которую можно найти по формуле (1.5). Значение

со называют диаметром поля моды излучения в волокне. Одномодовое

волокно характеризуется также таким параметром, как длина волны отсечки,

а именно минимальной длиной волны, при которой поддерживается

одномодовый режим распространения излучения. Для меньших длин волн количество мод не равно 1.

Во избежание схватывания генерации на различных модах или возникновения дополнительных потерь в резонаторе в результате перехода части излучения накачки в нестабильную моду, волоконные резонаторы обычно делают на одномодовых волокнах. Только усилители и иногда предусилители делают на многомодовых волокнах. В данных случаях многомодовое волокно позволяет уменьшить пиковую плотность мощности лазерного излучения в волокне за счет увеличения диаметра сердцевины, что необходимо для предотвращения разрушения волокна в случае волоконных лазеров УКИ.

1.1.3. Волокно с поддержкой поляризации

Большое количество промышленных волоконных лазеров сделаны на

основе волокна с поддержкой поляризации. Данные волокна содержат две различные собственные моды с линейной поляризацией, расположенные перпендикулярно друг к другу. Свойство волокна поддерживать поляризацию излучения при распространении по волокну характеризуется параметром модового двулучепреломления В [4]

,где пх,у - эффективные показатели преломления мод в двух ортогональных поляризационных состояниях. При распространении излучения по такому волокну происходит периодический обмен мощностью между этими двумя модами. Соответствующий период называют длиной биений и соответствует длине, на которой разность фаз между двумя ортогональными модами в волокне составляет 2те:

(1.7)

ь

2л X

Ось, вдоль которой эффективный показатель преломления моды меньше, называется быстрой осью. Такое название связано с тем, что для света, поляризованного в этом направлении, групповая скорость больше. Другая ось называется медленной. Чтобы малые случайные флуктуации двулучепреломления существенно не влияли на состояние поляризации значение параметра двулучепреломления должно быть порядка 10"4. В этом случае свет, поляризованный вдоль одной из осей волокна, не меняет состояния поляризации. Такие значения двулучепреломления обычно достигаются введением в заготовку для волокна с двух противоположных сторон от сердцевины стержней из боросиликатного стекла. Эти стержни вносят статические напряжения, которые определяют значение В. Волокно описанное подобным способом называется волокном с поддержкой поляризации типа PANDA. Торец такого волока представлен на рис. 1.1. Такие волокна использовались в данной работе в качестве волокон с поддержкой поляризации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бородкин, Андрей Александрович, 2015 год

Список литературы

1) Fermann М.Е., Galvanauskas A., Sucha G., Harter D. Fiber lasers for

ultrafast optics // Appl. Phys. B. 1997. V. 65. P. 259-275.

2) Hermansson В., Yevick D., Danielsen P. Propagating beam analysis of multimode waveguide tapers // IEEE J. Quantum Electron. 1983. V. 19. P. 12461251.

3) Marcuse D. Gaussian approximation of the fundamental modes of graded-index fibers // J. Opt. Soc. Am. 1978. V. 68. P. 103-109.

4) Kaminow I.P. Polarization in optical fibers // IEEE J. Quantum Electr. 1981. V. 17. P. 15-27.

5) Newell T.C., Peterson P., Gavrielides A., Sharma M.P. Temperature effects on the emission properties of Yb-doped optical fibers // Opt. Commun. 2007. V. 273. P. 256-259.

6) Pask H. M., Arman R. J.,. Hanna D. C, Tropper A. C., Mackechnie C. J., Barber P. R., Dawes J. M. Ytterbium-doped silica fiber lasers: versatile sources for the 1-1.2 (im region // IEEE J. Selected Top. in Quantum Electron. 1995. V. 1. P. 2-13.

7) Becker, P. C., Olsson, N. A., Simpson, J. R. Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology. Academic Press. 1999.

8) Kalosha V. P., Chen L., Bao X. Ultra-short pulse operation of all-optical fiber passively mode-locked ytterbium laser // Opt. Exp. 2006. V. 14. P. 49354945.

9) Herda R., Okhotnikov O.G. Mode-locked Yb-doped fiber laser with external compression to 89 fs in normal dispersion fiber // Appl. Opt. 2008. V. 47. P. 11821186.

10) Marcuse D. Pulse distortion in single-mode fibers. 3: Chirped pulses // Appl. Opt. 1981. V. 20. P. 3573-3579.

11) Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. - М.: Мир, 1996. - 323 с.

12) Nielsen C.K. Mode Locked Fiber Lasers: Theoretical and Experimental Developments. PhD thesis. Department of Physics and Astronomy. University of Aarhus. Denmark. 2006.

13) Li T. Optical Fiber Communications: Fiber Fabrication // Academic Press. 1985. V. 1.

14) Hardin R.H., Tappert F.D. Applications of the split-step Fourier method to the numerical solution of nonlinear and variable coefficient wave equations // SIAM Rev. Chronicle. 1973. V. 15. P. 423.

15) Fisher R.A., Bischel W.K. The role of linear dispersion in plane-wave self-phase modulation // Appl. Phys. Lett. 1973. V. 23. P. 661-663.

16) Cooley J.W., Tukey J.W. An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series // Math. Comput. 1965. V. 19. P. 297-301.

17) Von der Linde D. Characterization of the noise in continuously operating mode-locked lasers //Appl. Phys. B. 1986. V. 39. P. 201-217.

18) Mollenauer L. F., Stolen R. H., Gordon J. P. Experimental observation of picosecond pulse narrowing and solitons in optical fibers // Phys. Rev. Lett. 1980. V. 45. P. 1095-1098.

19) Mollenauer L.F., Gordon J.P., Islam M.N. Soliton propagation in long fibers with periodically compensated loss // IEEE J. Quantum Electron. 1986. V. 22. P. 157173.

20) Pandit N., Noske D.U., Kelly S.M.J., Taylor J.R. Characteristic sideband instability of periodical amplified average soliton // Electron. Lett. 1992. V. 28. P. 806-807.

21) Haus H.S., Tamura K., Nelson L.E., Ippen E.P. Stretched-Pulse additive pulse mode-locking in fiber ring lasers: theory and experiment // IEEE J.Quantum Elestr. 1995. V. 31. No. 3. P. 591-598.

22) Tamura K., Nelson L.E., Haus H.A., Ippen E.P. Soliton versus nonsoliton operation of fiber ring lasers // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 64. P. 149-151.

23) Bucley J.R., Wise F.W., Ilday F.O., Sosnowski T. Femtosecond fiber lasers

with pulse energies above 10 nJ// Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 1888-1890.

132

24) Chong A., Renninger W.H., Wise F.W. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser with pulse energy above 20nJ // Opt. Lett. 2007. V. 32. P. 2408-2410.

25) Soto-Crespo J.M., Akhmediev N.N., Afanasjev V.V., Wabnitz S. Pulse solutions of the cubic-quintic complex Ginzburg-Landau equation in the case of normal dispersion // Phys. Rev. E. 1997. V. 55. P. 4783-4796.

26) Kobtsev S., Kukarin S., Smirnov S., Turitsyn S., Latkin A. Fiber Lasers VII: Technology, Systems, and Applications // Proc. of SPIE. 2010. V. 7580. P. 28.

27) Chong A., Renninger W.H., Wise F.W. Properties of normal-dispersion femtosecond fiber lasers // J. Opt. Soc. Am. B. 2008. V. 25. No. 2. P. 140-148.

28) Haus H. A., Ippen E. P., Tamura K. Addative-pulse modelocking in fiber lasers // IEEE J. Quant. Eectron. 1994. V. 30. P. 200-208.

29) Ozgoren K., Ilday F.O. All-fiber all-normal dispersion laser with a fiber-based Lyot filter // Opt. Lett. 2010. V. 35. No. 8. P. 1296-1298.

30) Chong A., Buckley J., Renninger W., Wise F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser// Opt. Exp. 2006. V. 14. No. 21. P. 10095-10100.

31) Lim H., Ilday F.O., Wise F.W. Generation of 2-nJ pulses from a femtosecond ytterbium fiber laser// Opt. Lett. 2003. V. 28. No. 8. P. 660-662.

32) Winful H.G. Self-induced polarization changes in birefringent optical fibers // Appl. Phys. Lett. 1985. V. 47. P. 213-215.

33) Daino B., Gregori G., Wabnitz S. Stability analysis of nonlinear coherent coupling // J. Appl. Phys. 1985. V. 58. P. 4512-4514.

34) Winful H.G. Polarization instabilities in birefringent nonlinear media: application to fiber-optic devices // Opt. Lett. 1986. V. 11. P. 33-35.

35) Nielsen K., Ortac B., Schreiber T., Limpert J., Hohmuth R., Richter W., Tunnermann A. Self-starting self-similar all-polarization maintaining Yb-doped fiber laser// Opt. Express. 2005. V. 13.P. 9346-9351.

36) Duling I.N., Chen C.-J., Wai P.K.A., Menyuk C.R. Operation of a nonlinear loop mirror in a laser cavity // IEEE J. Quant. Electron. 1994. V. 30. P. 194-199.

37) Zhao L.M., Tang D.Y., Cheng T.H., Lu C. Nanosecond square pulse generation in fiber lasers with normal dispersion // Opt. Commun. 2007. V. 272. P. 431-434.

38) Ozgoren K., Oktem B., Yilmaz S., Ilday F., Eken K. 83 W, 3.1 MHz, square-shaped, 1 ns-pulsed all-fiber-integrated laser for micromachining // Opt. Express. 2011. V. 19. P. 17647-17652.

39) Aguergaray C., Broderick G. R., Erkintalo M., Chen S. Y., Kruglov V. Mode-locked femtosecond all-normal all-PM Yb-doped fiber laser using a nonlinear amplifying loop mirror// Opt. Express. 2012. V. 20. P. 10545-10551.

40) Doran N. J., Wood D. Nonlinear-optical loop mirror // Opt. Lett. 1988. V. 13. P. 56-58.

41) Haiml M., Grange R., Keller U. Optical characterization of semiconductor saturable absorbers // Appl. Phys. B. 2004. V. 79. P. 331-339.

42) Sutter D.H., Steinmeyer G., Gallmann L., Matuschek N., Morier-Genoud F., Keller U., Scheuer V., Angelow G., Tschudi T. Semiconductor saturable-absorber mirror assisted Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser producing pulses in the two-cycle regime // Opt. Lett. 1999. V. 24. P. 631-633.

43) Innerhofer E., Sudmeyer T., Brunner F., Haring R., Aschwanden A., Paschotta R., Keller U., Honninger C., Kumkar M. 60-W average power in 810-fs pulses from a thin-disk Yb:YAG laser // Opt. Lett. 2003. V. 28. P. 367-369.

44) Kalosha V.P., Chen L., Bao X. Ultra-short pulse operation of all-optical fiber passively mode-locked ytterbium laser // Opt. Exp. 2006. V.14. No. 11. P. 4935-4945.

45) Krainer L., Paschotta R., Lecomte S., Moser M., Weingarten K.J., Keller U. Compact Nd:YV04 lasers with pulse repetition rates up to 160 GHz // IEEE J. Quant. Elect. 2002. V. 38. P. 1331-1338.

46) Spuhler G.J., Paschotta R., Fluck R., Braun B., Moser M., Zhang G., Gini E., Keller U. Experimentally confirmed design guidelines for passively g-switched microchip lasers using semiconductor saturable absorbers // J. Opt. Soc. Am. B. 1999. V. 16. P. 376-388.

47) Okhotnikov O., Grudinin A., Pessa M. Ultra-fast fibre laser systems based on SESAM technology: new horizons and applications // New Journal of Physics. 2004. V. 6. P. 177.

48) Bao Q., Zhang H., Wang Y., Ni Z., Yan Y., Shen Z.X., Loh K.P., Tang D.Y. Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers // Adv. Funct. Mater. 2009. V. 19. P. 3077-3083.

49) Katsnelson M. I. Graphene: Carbon in Two Dimensions // New York: Cambridge University Press. 2012. p. 366.

50) Sun Z., Hasan T., Torrisi F., Popa D., Privitera G., Wang F., Bonaccorso F., Basko D.M., Ferrari A.C. Graphene Mode-Locked Ultrafast Laser // American Chemical Society. 2010. V. 4. P. 803-810.

51) Ferrari A.C., Meyer J. C., Scardaci V., Casiraghi C., Lazzeri M., Mauri F., Piscanec S., Jiang D., Novoselov K. S., Roth S., Geim A. K. Raman Spectrum of Graphene and Graphene Layers // Physical Rev. Lett. 2006. V. 97. P. 187401.

52) Hao Y., Wang Y., Wang L., Ni Z., Wang Z., Wang R., Koo C. K., Shen Z., Thong J. T. L. Probing layer number and stacking order of few-layer graphene by Raman spectroscopy // Small. 2010. V. 6. P. 195-200.

53) Wang Y. Y., Ni Z. H., Yu T., Wang H. M., Wu Y. H., Chen W., Wee A. T. S., Shen Z. X. Raman studies of monolayer graphene: the substrate effect. J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. P. 10637-10640.

54) George P. A., Strait J., Dawlaty J., Shivaraman S., Chandrashekhar M., Rana F., Spencer M. G. Ultrafast Optical-Pump Terahertz-Probe Spectroscopy of the Carrier Relaxation and Recombination Dynamics in Epitaxial Graphene // Nano Lett. 2008. V. 8. P. 4248-4251.

55) Kampfrath T., Perfetti L., Schapper F., Frischkorn C., Wolf M. Strongly Coupled Optical Phonons in the Ultrafast Dynamics of the Electronic Energy and Current Relaxation in Graphite // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. P. 187403.

56) Dawlaty J.M., Shivaramam S.S., Chandashekhar M. Measurement of ultrafast carrier dynamics in epitaxial grapheme // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 042116.

57) Kamaraju N., Kumar S., Sood A. K. Large nonlinear absorption and refraction coefficients of carbon nanotubes estimated from femtosecond z-scan measurements // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. P. 251103.

58) Lauret J-S., Voisin C., Cassabois G., Delalande C., Roussigno Ph., Jost O., Capes L. Ultrafast Carrier Dynamics in Single-Wall Carbon Nanotubes // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 90. P. 054104.

59) Manzoni C., Gambetta A., Menna E., Meneghetti M., Lanzani G., Cerullo G. Intersubband Exciton Relaxation Dynamics in Single-Walled Carbon Nanotubes // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. P. 207401.

60) Kataura H., Kumazawa Y., Maniwa Y., Umezu I., Suzuki S., Ohtsuka Y., Achiba Y. Optical properties of single-wall carbone nanotubes // Synth. Metals. 1999. V. 103. P. 2555-2558.

61) Wang J., Chen Y., Blau W.J. Carbon nanotubes and nanotube composites for nonlinear optical devices // J. Mater. Chem. 2009. V. 19. P. 7425-7443.

62) Song Y.W., Yamashita Sh., Goh Ch.S., Set S.Y. Carbon nanotube mode lockers with enhanced nonlinearity via evanescent field interaction in D-shaped fibers // Opt. Lett. 2007. V. 32. No. 2. P. 148-150.

63) Song Y.W., Jang S.Y., Han W.S., Bae M.K. Graphene mode-lockers for fiber lasers functioned with evanescent field interaction // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. P. 051122.

64) Tausenev A. V., Obraztsova E. D., Lobach A. S., Chernov A. I., Konov V. I.,. Konyashchenko A. V,. Kryukov P. G, Dianov E. M. Self-mode-locking in erbium-doped fibre lasers with saturable polymer film absorbers containing singlewall carbon nanotubes synthesised by the arc discharge method // Quantum Electron. 2007. V. 37. P. 205-208.

65) Fedotov Y.S., Kobtsev S.M., Arif R.N., Rozhin A.G., Mou C., Turitsyn S.K. Spectrum-, pulsewidth-, and wavelength-switchable all-fiber mode-locked Yb laser with fiber based birefringent filter // Optics Express. 2012. V. 20. No. 16. P. 17797-17805.

66) Choi S.Y., Rotermund F., Jung H., Oh K., Yeom D. Femtosecond mode-locked fiber laser employing a hollow optical fiber filled with carbon nanotube dispersion as saturable absorber // Opt. Express. 2009. V. 17. No. 24. P. 2178821793.

67) Khudyakov D.V., Borodkin A.A., Lobach A.S. Saturable absorption of film composites withsingle-walled carbon nanotubes and graphene // Appl. Opt. 2013. V. 52. No. 2 .P. 150-154.

68) Honninger C., Paschotta R., Morier-Genoud F., Moser M., Keller U. Q-switching stability limits of continuous-wave passive mode locking // J. Opt. Soc. Am. B. 1999. V. 16. No. 1. P. 46-56.

69) Schibli T.R., Thoen E.R., Kartner F.X., Ippen E.P. Suppression of Q-switched mode locking and break-up into multiple pulses by inverse saturable absorption // Appl. Phys. B. 2000. V. 70 [Suppl.]. P. S41-S49.

70) Машкович E.A., Бакунов М.И. Автокорреляционные методы измерения длительности ультракоротких лазерных импульсов // Электронное методическое пособие. Нижний Новгород. 2011.

71) Treacy Е.В. Compression of picosecond light pulses // Phys. Lett. A. 1968. V. 28. P. 34-35.

72) Treacy E.B. Optical pulse compression with diffraction gratings // IEEE J. Quantum Electr. 1969. V. 5. No. 9. P. 454-458.

73) Debois J., Gires F., Tournois P. A new approach to picosecond laser pulse analysis shaping and coding // IEEE J. Quantum Electron. 1973. V. 9. P. 213-218.

74) Бородкин A.A., Худяков Д.В., Вартапетов C.K. Генерация пикосекундных импульсов в волоконном иттербиевом лазере с нелинейным волоконным зеркалом (эксперимент и математическое моделирование) // Квант, электроника. 2015. Т. 45. № 2. С. 98-101.

75) Khudyakov D.V., Borodkin А.А., Lobach A.S., Ryzhkov A.V., Vartapetov S.K. Saturable absorption of film composites with single-walled carbon nanotubes and graphene // Appl. Opt. 2013. V. 52. No. 2. P. 150-154.

76) Lee J.H., Shin D.W., Makotchenko V.G., Nazarov A.S., Fedorov V.E., Yoo J.H., Yu S.M., Choi J.-Y., Kim J.M., Yoo J.-B. The Superior Dispersion of Easily Soluble Graphite // Small. 2010. V. 6. P. 58-62.

77) Дементьев А.П., Елецкий A.B., Лобач A.C., Маслаков К.И., Рыжков А.В., Соколов В.Б., Федоров Т.Е. Синтез и функционализация графенов // Сборник материалов. IV Всероссийская конференция по наноматериалам. НАНО 2011. Москва. ИМЕТ РАН. 2011. С. 254.

78) Khudyakov D.V., Lobach A.S., Obraztsova E.D., Nadtochenko V.A. Nonlinear Optical Absorption of Nanocomposite Films Made from Polymers and Single-Walled Carbon Nanotubes: The effect of Nanotube Type and Polymeric Matrix // High Energy Chem. 2009. V. 43. P. 312-317.

79) Minami N., Kim Y., Miyashita K., Kazaoui S., Nalini B. Cellulose derivatives as excellent dispersants for single-wall carbon nanotubes as demonstrated by absorption and photoluminescence spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 093123.

80) Bachilo S.M., Strano M.S., Kittrell C., Hauge R.H., Smalley R.E., Weisman R.B. Structure-Assigned Optical Spectra of Single-Walled Carbon Nanotubes // Science. 2002. V. 298. P. 2361-2366.

81) Chang Y.M., Kim H., Lee J.H., Song Y.-W. Multilayered graphene efficiently formed by mechanical exfoliation for nonlinear saturable absorbers in fiber mode-locked lasers // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. P. 211102.

82) Martinez A., Fuse K., Yamashita S. Mechanical exfoliation of graphene for the passive mode-locking of fiber lasers // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. P. 121107.

83) Sheik-Bahae M., Wei A.A., Hagan D.J., Stryland E.W.V. Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam // IEEE J. Quantum Electronics. 1990. V. 26. P. 760-769.

84) Garmire E. Resonant optical nonlinearities in semiconductors // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2000. V. 6. P. 1094-1110.

"v I

\

85) Fong K.H., Kikuchi К., Goh C.S., Set S.Y., Grange R., Haiml M., Schlatter A., Keller U. Solid-state Er:Yb:glass laser mode-locked by using single-wall carbon nanotube thin film // Opt. Lett. 2007. V. 32. P. 38-40.

86) Schmidt A., Rivier S., Steinmeyer G.,. Yim J.H, Cho W. В., Lee S., Rotermund F., Pujol M.C., Mateos X., Aguilo M., Diaz F., Petrov V., Griebner U. Passive mode locking of Yb:KLuW using a single-walled carbon nanotube saturable absorber// Opt. Lett. 2008. V. 33. P. 729-731.

87) Cho W.B., Yim J.H., Choi S.Y., Lee S., Griebner U., Petrov V., Rotermund F. Mode-locked self-starting Cnforsterite laser using a single-walled carbon nanotube saturable absorber// Opt. Lett. 2008. V. 33. P. 2449-2451.

88) Xing G., Guo H., Zhang X., Sum T.C., Huan C.H.A. The Physics of ultrafast saturable absorption in grapheme // Optics Express. 2010. V. 18. No. 5. P. 4564-4573.

89) Yang H., Feng X., Wang Q., Huang H., Chen W., Wee A.T.S., Ji W. Giant Two-Photon Absorption in Bilayer Graphene // Nano Lett. 2011. V. 11. No. 7. P. 2622-2627.

90) Lee C.-C., Miller J. M., Schibli T. R. Doping-induced changes in the saturable absorption of monolayer grapheme // Appl. Phys. B. 2012. V. 108. P. 129-135.

91) Nicholson J.W., Windeler R.S., DiGiovanni DJ. Optically driven deposition of single-walled carbon-nanotube saturable absorbers on optical fiber end-faces // Opt. Express. 2007. V. 15. P. 9176-9183.

92) Kieu K., Wise F. W. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser // Opt. Express. 2008. V. 16. P. 11453-11458.

93) Kivisto S., Hakulinen Т., Kaskela A., Aitchison В., Brown D.P., Nasibulin A.G., Kauppinen E.I., Harkonen A., Okhotnikov O.G. Carbon nanotube films for ultrafast broadband technology. Opt. Express. 2009. V. 17. P. 2358-2363.

94) Джеррард А., Бёрч Дж.М. Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978.

95) Thoen E.R., Koontz E.M., Joschko M., Langlois P., Schibli T. R., Kartner F. X., Ippen E. P., Kolodziejski L. A. Two-photon absorption in semiconductor saturable absorber mirrors // Appl. Phys. Lett. 1999. V.74. P. 3927-3939.