Генерация суперконтинуума двухмикронного диапазона в оптических волокнах на основе кварцевого стекла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Камынин, Владимир Александрович

• Камынин, Владимир Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Камынин, Владимир Александрович

Содержание

Введение

I. Генераторы суперконтинуума: составные части и физические механизмы генерации (по литературе)

1.1. Эксперименты по наблюдению суперконтинуума

1.2. Нелинейные явления в оптических волокнах, как источник уширения спектра

1.3. Постановка задач

II. Генерация суперконтинуума в пассивных оптических

волокнах

2.1. Методы возбуждения и регистрации суперконтинуума

2.2. Генерация суперконтинуума в стандартных телекоммуникационных волокнах

2.3. Исследование волокон с фосфатной сердцевиной

2.4. Исследование высоконелинейных германосиликатных волокон

III. Спектральное преобразование в волоконных усилителях двухмикронного диапазона

3.1. Нелинейно-оптическое преобразование в гольмиевых волоконных усилителях

3.2. Гольмиевый волоконный усилитель

3.3. Генерация суперконтинуума в волокне, легированном ионами Тт3+

3.4. Внутрирезонаторная генерация суперконтинуума

а

IV. Многокаскадное нелинейно-оптическое преобразование

4.1. Комбинированный генератор суперконтинуума на основе голъмиевого усилителя для наносекундной накачки

4.2. Многокаскадная генерация суперконтинуума в волокне, легированном ионами Тт3+

4.3. Трансформация спектра в комбинированном генераторе при фемтосекундной накачке

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генерация суперконтинуума двухмикронного диапазона в оптических волокнах на основе кварцевого стекла»

Введение

Развитию волоконных источников излучения посвящено на настоящий момент более 30 тыс. работ. Интерес обусловлен рядом преимуществ: возможностью создания мощных и эффективных лазеров, мобильностью устройств, устойчивостью к вибрациям и электромагнитным излучениям, технологичностью изготовления, а также богатой элементной базой. Наиболее распространенными являются лазеры и усилители на основе волокон, легированных ионами УЬ3+ [1], Ег3+ [2], Тш3+ [3].Использование эффекта вынужденного комбинационного рассеяния совместно с вышеописанными источниками позволило покрыть диапазон от 1 до 2 мкм. Таким образом, логичным развитием волоконных лазеров является переход в более длинноволновую область спектра. На данный момент успешно развиваются и близки к коммерческому исполнению гольмиевые волоконные лазеры [4] и усилители [5, 6]. Источники на основе волокон, легированных ионами Но3+ позволяют получить лазерное излучение на длине волны до 2.21 мкм [7].

Следствием развития волоконных лазеров стала возможность создания полностью волоконных источников суперконтинуума (СК). К данному типу излучателей относят широкополосные источники нетепловой природы, выходное излучение которых инициировано, как правило, высокомощными лазерными импульсами, и многократно превышает ширину спектра накачки. Появлению генераторов суперконтинуума также способствовало создание сред с большими значениями коэффициента нелинейности.

За последние 20 лет на основе оптических волокон было создано множество лазеров с пиковой мощностью импульсов превышающей несколько киловатт. Появление специальных оптических волокон позволило получить протяженные среды с достаточно высоким коэффициентом нелинейности и низкими значениями потерь, что способствовало генерации

спектров широкополосного излучения от фиолетовой части видимой области до середины среднего ИК-диапазона [8,9].

Суперконтинуум, по сути, стал новым классом оптического излучения, объединившим в себе свойства как лазерных, так и широкополосных источников. Особенности характеристик позволили внедрить его в различные научные и практические области.

Генератор СК в случае спектроскопических исследований имеет ряд преимуществ перед традиционными источниками. К ним можно отнести высокую спектральную яркость и варьируемую форму спектра. Так как изначально суперконтинуум инициирован импульсным излучением, то и выходное излучение является импульсным, что, в случае синхронного детектирования, также можно отнести к положительным качествам.

Еще одним интересным применением источников СК является мультиспектральное построение образа объекта. Если рассматривать лазерную систему, то дискретность практически неизбежна. Тепловые источники и источники усиленного спонтанного излучения не обладают таким запасом по яркости. Однако спектр суперконтинуума непрерывен и имеет высокую спектральную плотность мощности. Как результат, генераторы СК могут быть с успехом использованы для подсветки необходимого объекта.

В последнее время появляются сообщения о медицинском применении источников суперконтинуума. В данной сфере генераторы подобного типа могут быть применены как для когерентной томографии, так и непосредственно для воздействия на ткани пациента.

Из вышеперечисленного следует, что источники, излучающие в широком диапазоне с заданными временными характеристиками и формой спектра могут найти применение во многих областях. Это может быть как применение в научных целях - спектроскопия, так и прикладных -метрология, оптическая томография, многодиапазонное изучение объекта,

специальная подсветка объекта. Следствием такого разнообразия возможных применений является появление на рынке высокотехнологичного оборудования источников суперконтинуума с различными характеристиками.

Таким образом, разработка сравнительно простых в использовании и мобильных источников широкополосного излучения является актуальной задачей.

Важно отметить, что большинство доступных источников суперконтинуума работает в видимой области спектра и ближнего ИК. Поэтому наиболее актуальным представляется расширение спектрального диапазона генерации в область длин волн более 2 мкм.

Цель диссертационной работы

Основной задачей данной работы была генерация суперконтинуума в области спектра более 2 мкм с использованием волокон на кварцевой основе. Одним из вопросов было получение излучения с максимально возможной длиной волны излучения и определение предела для волокон на кварцевой основе, разрабатываемых по стандартной технологии.

Другим важным аспектом являлось увеличение спектральной плотности мощности. С этой целью использовались волоконные усилители, чей рабочий диапазон максимально близок или превышает 2 мкм.

Кроме того, целью было получение эффективного генератора суперконтинуума. Это, естественно, связано с поиском наиболее подходящей среды для спектрального преобразования и оптимизацией параметров источника инициирующих импульсов.

В литературе, посвященной генерации СК, имеет место разделение для инициирующих импульсов по длительности. Чаще всего выделяют фемтосекундный режим и режим, использующий более длинные пикосекундные или наносекундные импульсы, в том числе непрерывные

поля. Таким образом, естественным является сравнение различных режимов

в сходных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту

• В стандартных телекоммуникационных волокнах длинноволновая граница суперконтинуума достигает 2.4 мкм, причем эффективность преобразования излучения в область спектра более 2 мкм достигает 30%.

• В волокнах на кварцевой основе с большой концентрацией оксида германия длинноволновая граница генерации суперконтинуума при накачке наносекундными импульсами составляет 2.7 мкм. Эффективность данного преобразования в спектральную область 2-2.7 мкм достигает 58%.

• Использование гольмиевых волоконных усилителей позволяет получить спектрально-ограниченное широкополосное излучение с высокой спектральной плотностью мощности в диапазоне от 2 до 2.5 мкм.

• Реализация генератора суперконтинуума с применением тулиевых волокон и усилителей на их основе позволяет получить генерацию до 2.7 мкм.

• Концентрация легирующей примеси стекла влияет на эффективность генерации суперконтинуума в гольмиевых и тулиевых источниках суперконтинуума.

Научная новизна

• В ходе работы над диссертацией впервые была получена генерация суперконтинуума в гольмиевом волоконном усилителе.

• Определена спектральная граница генерации суперконтинуума в стандартных оптических волокнах.

• В волокнах с сердцевиной легированной оксидом германия с концентрацией более 50% был получен спектр генерации до 2.7 мкм, что на момент публикации результатов являлось рекордным значением.

• Впервые реализованы многокаскадные генераторы суперконтинуума с использованием волоконных усилителей.

Практическая значимость

Результаты исследований имеют широкий круг возможных применений как в научных, так и в прикладных областях. На основе проведенных исследований реализован ряд эффективных источников суперконтинуума среднего инфракрасного диапазона с длиной волны излучения 1.6 - 2.7 мкм, которые могут быть использованы для мониторинга газового состава воздуха, в системах связи, в медицине, в тепловидении, для военно-технических применений и пр. Кроме того, излучение среднего инфракрасного диапазона менее опасно для зрения по сравнению с видимым и ближним инфракрасным диапазоном, что упрощает практическое использование подобных источников. Достоверность

Достоверность результатов подтверждается воспроизводимостью результатов, качественным совпадением с результатами моделирования, и сравнением с результатами других исследователей. Апробация работы

Основные результаты данной работы были представлены на 9 российских и международных конференциях. 7 докладов были представлены лично автором.

1. A.S. Kurkov, V.A. Kamynin, E.M. Sholokhov, A. V. Marakulin. Mid-IR

th

supercontinuum generation in Ho-doped fiber amplifier. 20 International Laser Physics Workshop (LPHYS'll), Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, 2011.

2. B.A. Камынин, A.C. Курков. Генерация суперконтинуума в стандартном одномодовом волокне. 10 Всероссийская конференция «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: Физические свойства и применение» (ВНКШ-2011), Саранск, 2011.

3. А.С. Курков, В.А. Камынин, Е.М. Шолохов, А.В. Маракулин. Генерация суперконтинуума среднего ИК- диапазона в стандартных оптических волокнах. Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 2011.

4. В.А. Камынин, А.С. Курков, В.Б. Цветков. Генерация суперконтинуума длинноволнового диапазона. Российский семинар по волоконным лазерам, Новосибирск, 2012.

5. V.A. Kamynin, A.S. Kurkov, Ya.E. Sadovnikova, V.B. Tsvetkov, Supercontinuum generation over 2 jim., Book of Abstracts 20th International Conference on Advanced Laser Technologies ALT'12, Thun, Switzerland, 2012.

6. В.А. Камынин, А.С. Курков, Я.Э. Садовникова, В.Б. Цветков, Источники суперконтинуума двухмикронного диапазона, 11-я Всероссийская (с международным участием) научная конференция-школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: Физические свойства и применение» (ВНКШ-2012), 2012.

7. V.A. Kamynin, Y.E. Sadovnikova, A.S. Kurkov, and V.B. Tsvetkov, Mid-IR supercontinuum generation in thulium doped fiber amplifier., CLEO Europe 2013, Munich, Germany, 2013.

8. V.A. Kamynin, Ya.E. Sadovnikova, A.S. Kurkov, V.B. Tsvetkov, Multicascade supercontinuum generation over 2 цш. ICONO/LAT, Moscow, Russia, 2013.

9. B.A. Камынин, A.C. Курков, И.А. Волков, A.B. Маракулин Л.А. Минашина, Многокаскадная генерация суперконтинуума: сравнение наносекундной и фемтосекундной накачки. Российский семинар по волоконным лазерам, Новосибирск, 2014.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в

следующих работах:

1. A.S. Kurkov, V.A. Kamynin, Е.М. Sholokhov, and A.V. Marakulin. Mid-IR supercontinuum generation in Ho-doped fiber amplifier Laser Physics Letters, 8, 754-757, 2011.

2. B.A. Камынин, A.C. Курков, В.Б. Цветков, Генерация суперконтинуума в диапазоне 1.6 — 2.4 мкм с использованием стандартных оптических волокон, Квант, электроника, 2011, 41 (11), 986-988.

3. V.A. Kamynin, A.S. Kurkov, and V.M. Mashinsky Supercontinuum generation up to 2.7 цт in the germanate-glass-core and silica-glass-cladding fiber. Laser Physics Letters, 9, 219, 2012.

4. A.C. Курков, B.A. Камынин, В.Б. Цветков, Я.Э. Садовникова, A.B. Маракулин, Л.А. Минашина, Генерация суперконтинуума в оптических волокнах, легированных ионами тулия, Квант, электроника, 2012, 42 (9), 778-780.

5. В.А. Камынин, С.О. Антипов, А.В. Бараников, А.С. Курков, Волоконный гольмиевый усилитель на длине волны 2.1 мкм, Квант, электроника, 2014, 44(2), 161-162.

6. Kamynin V. A., Volkov I. A., Nishchev К. N., Paramonov V. М., Kurkov А. S. Transformation of the supercontinuum spectra by the Ho-doped fiber amplifier, Laser Physics Letters, 11(5), 1612-2011, 2014.

Работа выполнялась в Институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской Академии Наук (ИОФ РАН) в Лаборатории активных сред твердотельных лазеров под руководством доктора физико-математических наук A.C. Куркова. Изготовление кварцевого волокна, легированного ионами гольмия и тулия выполнялась совместно с Лабораторией волоконных лазеров ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина» в городе Снежинск Челябинской области под руководством A.B. Маракулина, а также в Пермской научно-производственной приборостроительной компании (ПНППК).

Волоконные световоды, легированные оксидом германия были предоставлены В.М. Машинским.

В работе использовались волоконные брэгговские решетки, изготовленные О. И. Медведковым.

Структура и объем диссертации

Структура диссертационной работы следующая: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Глава I

Генераторы суперконтинуума: составные части и физические механизмы генерации (по литературе)

1.1 Эксперименты по наблюдению суперконтинуума

Спектральное уширение и генерация новых частотных компонент являются неотъемлемыми частями нелинейной оптики. Данные явления интенсивно изучались с начала 1960-х годов. Процесс, известный как генерация суперконтинуума (СК), происходит, когда узкополосный задающий импульс претерпевает экстремальное спектральное уширение, приводящее к широкополосному спектрально непрерывному выходному излучению.

Генерация суперконтинуума была впервые представлена в 1970 г. Р. Альфано и С. Шапиро [10] в объемном стекле и с тех пор стала предметом многочисленных исследований в разнообразных нелинейных средах, включая твердые тела, органические и неорганические жидкости, газы и различные типы волноводов. При первом наблюдении генерации СК Р. Альфано и С. Шапиро сообщили о генерации белого света, покрывающего весь видимый диапазон от 400 до 700 нм,

■ • _»

4046 А

5300 А

Рис. 1. а) Антистоксово излучение с основным лазерным пучком в центре щели; б) Кривая полного углового антистоксова излучения от 4000 до 5300 ангстрем [10].

после прохождения 5 мДж пикосекундных импульсов с длиной волны 130 нм в объемном стекле ВК7. Вскоре после этого подобные результаты были независимо представлены Н.Г. Бондаренко и др. [11]. Важно отметить, что нелинейное спектральное уширение лазерного излучения не было новым явлением на тот момент, так как наблюдалось ранее в 1963 [12]. Фактически, У. Джоунс и Б. Стойчефф в 1964 году [13] применили относительно узкий «континуум» света в экспериментах, связанных с измерением обратной рамановской спектроскопии. Значительное спектральное уширение также было обнаружено в СБг в 1967 году [14]. Основным нелинейным процессом, приводящим к спектральному уширению была фазовая самомодуляция (ФСМ). Однако эксперимент Р. Альфано и С. Шапиро, в котором было описано четырехволновое смешение, стал уникальным благодаря многократному увеличению протяженности спектра генерируемого света -более чем в 10 раз. Данный результат превосходил все, что было представлено ранее.

Термин «суперконтинуум» впервые был предложен Дж. Мэннассой [15, 16] спустя более чем 10 лет после экспериментов Р. Альфано и С. Шапиро. Тем временем, явление генерации СК называли сверхуширением [17], аномальным частотным уширением [18], или континуумом белого света [19].

Несколькими научными группами было показано, что самофокусировка является ключевым моментом для генерации СК в объемных средах, так как наблюдалось, что порог СК совпадал с критической мощностью для катастрофического сжатия (коллапса) среды, соответствующий образованию автолокализованных филоментов. Коллапс пучка приводит к взрывному увеличению пиковой интенсивности, что повышает эффективность ФСМ, а также дает начало ряду нелинейных процессов более высоких порядков, включая самосжатие, пространственно-временную фокусировку [20], многофотонное поглощение, лавинную

ионизацию и формирование плазмы свободных электронов [21]. В частности, в работе [18] утверждалось, что генерация СК соответствовала «существенной деформации импульсов внутри филамента, которая должна приводить к сжатию заднего фронта импульса». ФСМ, связанная с очень резким наклоном фронта импульса, объясняет в этом случае широкую протяженность спектра СК объемной среды в синюю (коротковолновую) область относительно накачки. В 1973 году также было отмечено в работе Бломбергена [21], что эффект дефокусировки в электронной плазме мог бы привести к подобному явлению.

Однако вплоть до работы [21], не появлялось удовлетворительного объяснения, подтвержденного трехмерным моделированием распространения света. На данный момент принято, что генерация СК в объемных материалах связана с формированием оптического удара на заднем фронте импульсов накачки из-за пространственно-временной фокусировки и самосжатия, подтверждая ранние идеи В. Вернке и др. Ролью многофотонного поглощения и формирования плазмы является приостановка коллапса пучка и предотвращение оптического пробоя материала. Вероятность возникновения автолокализованных филоментов при распространении излучения зависит от длительности импульса и относительной величины хроматической дисперсии, самофокусировки и плазменной дефокусировки [22]. Данный сценарий согласуется со всеми известными наблюдениями, включая зависимость СК от ширины запрещенной зоны материала [23]. Так в материале с маленькой шириной запрещенной зоны, самофокусировка останавливается при меньших интенсивностях дефокусировкой на свободных электронах, что предотвращает формирование удара.

Очевидно, что генерация СК в объемных материалах является очень сложным процессом, включающим различные связи между пространственными и временными эффектами. В отличие от них, генерация

СК в оптических волокнах включает чисто временные динамические процессы с поперечными модовыми характеристиками, определяемыми только линейными волновыми свойствами.

Первые эксперименты по генерации СК в оптических волокнах были проведены с применением импульсной накачки высокой мощности в видимом диапазоне в световодах на кварцевой основе с длиной волны нулевой дисперсии групповых скоростей (ДГС) около 1.3 мкм. В частности, К. Лин и Р. Стоулен в 1976 году [24] использовали импульсное излучение в видимом диапазоне длительностью 10 наносекунд и максимальной пиковой мощность 1 кВт от лазера на красителях, которое распространялось в волокне с диаметром сердцевины 7 мкм и длиной 20 м. В результате была получена генерация СК в длинноволновой области, относительно накачки, спектральной шириной более 200 ТГц. Наблюдаемое спектральное уширение объяснялось каскадным ВКР и ФСМ. Последующие эксперименты, использующие импульсную накачку видимым излучением в диапазоне от 10 пс до 10 не показали подобные результаты. В экспериментах, осуществленных в 1987 г., 25-пикосекундные импульсы на длине волны 532 нм вводились в волокно длиной 15 м, поддерживающее четыре пространственные моды на этой длине волны[25]. Как видно из рис. 2,

Рис.2. Генерация континуума при накачке 25 пс импульсами на длине волны 532 нм с интенсивностью 1.5 ГВт/см2 волокне длиной 15 метров [15].

выходной спектр уширяется на величину более 50 нм из-за совместного действия ФСМ, ФКМ, ЧВС и ВКР. Подобные же явления можно было ожидать и в экспериментах с использованием одномодовых волокон [26]. Действительно, одномодовый световод длиной 1000 метров был использован в экспериментах в 1987 г. [27], в ходе которых 830 фс импульсы с пиковой мощностью 530 Вт позволяли генерировать спектр шириной 400 нм (см. рис. 3).

Рис. 3. Спектры суперконтинуума на выходе волокна длиной 1000 м для нескольких значений пиковой мощности входного импульса длительностью 830 фс. Длина волны накачки 1341 нм лежит в области аномальной дисперсии волокна.

Похожий результат был получен с использованием 14 пс импульсов в работе 1989 г. [28]. Сверхкороткие фемтосекундные импульсы также широко использовались для генерации сверхуширенных спектров в высоконелинейных волокнах.

Данные исследования также прояснили важность не только обоюдного взаимодействия между ВКР и ФСМ, но и роль фазовой кросс-

11 12 13 14 15 1в Длина волны, мш

модуляции (ФКМ) и различных процессов четырехволнового смешения в обеспечении дополнительного уширения, и в объединении дискретно сгенерированных частотных компонент для получения спектрально-гладкого выходного излучения [29,30].

Доминирующие ВКР и ФСМ уширение в предыдущих экспериментах наблюдалось для случая накачки в область нормальной ДГС. Однако при накачке в область аномальной ДГС, спектральное уширение возникает из динамики, связанной с солитонамн. Возможность распространения солитона в области аномальной ДГС оптических волокон была впервые выдвинута на основании теоретического анализа нелинейного уравнения Шредингера [31]. Однако отсутствие источников сверхкоротких импульсов на длине волны более 1300 нм сдерживало экспериментальные наблюдения солитонов вплоть до работы [32], в которой 7 пс импульсы на длине волны 1550 нм были использованы не только, чтобы возбудить нераспадающиеся стабильные фундаментальные солитоны, но и солитоны высокого порядка, которые наблюдались при больших уровнях мощности.

Солитоны высокого порядка являются особым типом решения НУШ, • представляющим связанное состояние N фундаментальных солитонов [33, 34]). Распространение в среде импульсов, удовлетворяющих данному решению, состоит одновременно из спектрального и временного сжатия и расщепления, сопровождающегося последующим восстановлением к первоначальной форме импульса после характеристической длины распространения, известной как период солитона. В экспериментах, использующих пикосекундные импульсы на длине волны 1550 нм изучались различные аспекты распространения солитонов высоких порядков, включая явное измерение восстановления за период солитона [35]. Данные эксперименты являются особенно важными, так как показывают, что несмотря на то, что эволюция солитонов высоких порядков может быть очень сложной, начальная фаза распространения всегда связана с

относительно простым процессом, спектральным уширением, вызванным ФСМ, и временным сжатием в области аномальной ДГС волокна.

На настоящий момент, генерация суперконтинуума в оптических волокнах по-прежнему является популярной областью исследований. Основные усилия в этой были направлены на получение широкополосной генерации в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. В то же время, интерес представляет получение широкополосного излучения на длинах волн более 2 мкм. Источники такого излучения могут использоваться в спектроскопии, анализе атмосферы, медицине и пр. Как правило, для получения суперконтинуума в этой части спектра используются специальные волокна. Так, в работе [36] применялось сапфировое волокно, в работе [37] -микроструктурированные волокна на основе оксидного стекла сложного состава. Использование флюоридного волокна с накачкой от фемтосекундного источника на 1.45 мкм позволило продемонстрировать генерацию вплоть до 3.8 мкм, спектр представлен на рис. 4 [38].

Рис. 4.Спекгр суперконтинуума, полученный в флюоридном волокне длиной 2.5 см.

£9

| -60 ® -70 -80 -90

600 1200 1800 2400 3000 3600

Длина волны, нм

В волокне на основе ZBLAN была получена генерация суперконтинуума вплоть до 4.8 мкм [39, 40]. Значительно меньшее внимание уделялось генерации суперконтинуума в волокнах на основе кварцевого стекла, применение которых позволяет реализовать полностью волоконный компактный генератор суперконтинуума удобный для практических применений. Так, в работах [41, 42] была продемонстрирована генерация суперконтинуума вплоть до 2.4 мкм в стандартных кварцевых волокнах с накачкой импульсным волоконным лазером. В работе [43] была получена генерация вплоть до 2.7 мкм в волокне с сердцевиной, легированной оксидом германия с концентрацией около 64 мол. %.

Довольно часто для получения суперконтинуума применяются различные, в основном импульсные, лазерные источники. У истоков исследования сверхширокого нелинейного преобразования импульсов, как упоминалось выше, применялись лазеры на красителях, твердотельные лазеры, например, Cr:YAG laser [44] и т.д.

Длина волны, нм

Рис.5. Спектры суперконтинуумов для различных уровней энергии задающих импульсов в

волокне из стекла РВС-08 [50].

Однако одним из наиболее продуктивных источников для генерации суперконтинуума стал титан-сапфировый источник, работающий в режиме синхронизации мод [45]. Данный источник производится и находится в открытой продаже. Излучение титан-сапфирового лазера для экспериментов по генерации суперконтинуума усиливают или преобразовывают в параметрических усилителях. На рис. 5 [46] представлен спектр, полученный с использованием схемы титан-сапфировый лазер - параметрический усилитель. Подобные источники обладают одним серьезным недостатком -сложность ввода излучения в среду и волокна, в частности. Поэтому часто используются волоконные лазеры, работающие как в режиме модуляции добротности, так и в режиме синхронизации мод.

800 1000 1200 1400 1600 1800 Длина волны, нм

Рис. 6. Спектры излучения на выходе микроструктурированного волокна с эффективной площадью моды 380 мкм2. Длительность лазерного импульса 300 фс; 1- энергия лазерного импульса на входе в волокно 0.15 мкДж, 2 - 0.98 мкДж, 3- 1.3 мкДж; штриховая кривая -спектр лазерного излучения на входе. На вставке показано поперечное сечение [9].

Появление нового класса световедущих структур, а именно фотонно-кристаллических волокон (ФКВ) в конце 90-х годов привело к революции в генерации сверхшироких спектров с высокой яркостью в процессе генерации СК. ФКВ могут поддерживать одномодовое распространение в широком диапазоне длин волн, повышая модовое сохранение и, таким образом, повышая нелинейность, и возможность задания параметра дисперсии групповых скоростей [47]. Примеры поперечного сечения световода и полученных спектров суперконтинуума представлены на рис. 6.

Возможность создания ФКВ позволила обнаружить генерацию СК в более широком диапазоне параметров накачки (источника), чем это было возможно с объемными средами или обычными волокнами. Например, эксперименты показали генерацию СК с использованием неусиленных входных импульсов с длительностью в диапазоне от десятков фемтосекунд до нескольких наносекунд, и даже с использованием мощных непрерывных источников. Генерация СК в ФКВ впоследствии широко применялась в междисциплинарных областях, таких как оптическая когерентная томография, спектроскопия и, в особенности, в оптической частотной метрологии. В этой области она позволила разработать новое поколение оптических часов и открыла новые перспективы в изучении пределов отклонений фундаментальных физических постоянных. Присуждение Нобелевской премии по физике за 2005 год Джону Холлу и Теодору Хэншу «За вклад в развитие высокоточного лазерного спектроскопирования и техники прецизионного расчета светового сдвига в оптических стандартах частоты» является свидетельством большой важности вклада этой работы в точную частотную метрологию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Камынин, Владимир Александрович, 2014 год

Список литературы

1 Jeong Y. Е., Sahu J., Payne, D., Nilsson J. Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power // Optics Express. - 2004. - T. 12. - №. 25. - C. 6088-6092.

2 IPG Photonics www.ipgphotonics.com.

3 Shen D. Y., Sahu J. K., Clarkson W. A. High-power widely tunable Tm: fibre lasers pumped by an Er, Yb co-doped fibre laser at 1.6 цт // Optics express. - 2006. - T. 14. - №. 13. - C. 6084-6090.

4 Kurkov A. S., Sholokhov E. M., Marakulin, A. V., Minashina L. A. Dynamic behavior of laser based on the heavily holmium doped fiber // Laser Physics Letters. - 2010. - T. 7. - №. 8. - C. 587.

5 Antipov S. O., Kurkov A. S. A holmium-doped fiber amplifier at 2.1 цт //LaserPhysics Letters.-2013.-Т. 10.-№. 12.-C. 125106.

6 Камынин В. А., Антипов С. О., Бараников А. В., Курков А. С. Волоконный гольмиевый усилитель на длине волны 2.1 мкм // Квантовая электроника. -2014. -Т. 44.-№. 2.-С. 161-162.

7 Антипов С. О., Камынин В. А., Медведков О. И., Маракулин А. В., Минашина JI. А., Курков А. С., Бараников А. В. Гольмиевый волоконный лазер с длиной волны излучения 2.21 мкм // Квантовая электроника. - 2013. - Т. 43. -№. 7. - С. 603-604.

8 Желтиков А. М. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума сверхкороткими лазерными импульсами // Успехи физических наук. -2006. - Т. 176. - №. 6. - С. 623-649.

9 Желтиков А. М. Микроструктурированные световоды для нового поколения волоконно-оптических источников и преобразователей световых импульсов // Успехи физических наук. - 2007. - Т. 177. — №. 7.-С. 737-762.

10 Alfano R. R., Shapiro S. L. Emission in the region 4000 to 7000 A via four-photon coupling in glass // Physical Review Letters. - 1970. - T. 24. -№. 11.-C.584.

11 Bondarenko N. G., Eremina I. V., Talanov V. I. Broadening of Spectrum in Self Focusing of Light in Crystals // Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. - 1970. - T. 12. - C. 85.

12 Stoicheff B. P. Characteristics of stimulated Raman radiation generated by coherent light // Physics Letters. - 1963. - T. 7. - №. 3. - C. 186-188.

13 Jones W. J., Stoicheff B. P. Inverse Raman spectra: induced absorption at optical frequencies // Physical Review Letters. - 1964. - T. 13. - №. 22. -C. 657.

14 Brewer R. G. Frequency shifts in self-focused light // Physical Review Letters.- 1967.-Т. 19.-№. l.-C. 8.

15 Manassah J. Т., Ho P. P., Katz A., Alfano R. R. Ultrafast supercontinuum laser source // Photonics Spectra. - 1984. - T. 18. - №. 11. -C. 53.

16 Manassah J. Т., Mustafa M. A., Alfano R. R., Po P. P. Induced supercontinuum and steepening of an ultrafast laser pulse // Physics Letters A. - 1985. - Т. 113. - №. 5. - C. 242-247.

17 Il'Ichev N. N., Koroblin V. V., Korshunov V. A., Malyntin A. A., Okroashvili T. G., Paining P. P. Superbroadening of the spectrum of

ultrashort pulses in liquids and glasses // JETP Lett. - 1972. - T. 15. - C. 133-135.

18 Werncke W., Lau A., Pfeiffer M., Lenz K., Weigmann H. J., Thuy C. D. An anomalous frequency broadening in water // Optics Communications. -1972. - T. 4. -№. 6. -C. 413-415.

19 Fork R. L., Tomlinson W. J., Shank C. V., Hirlimann C., Yen R. Femtosecond white-light continuum pulses // Optics Letters. - 1983. - T. 8. — №. 1. — C. 1-3.

20 Rothenberg J. E. Space-time focusing: breakdown of the slowly varying envelope approximation in the self-focusing of femtosecond pulses //Optics letters. - 1992. - T. 17. - №. 19. - C. 1340-1342.

21 Bloembergen N. The influence of electron plasma formation on superbroadening in light filaments //Optics Communications. - 1973. - T. 8. - №. 4.-C. 285-288.

22 Akozbek N., Scalora M., Bowden C. M., Chin S. L. White-light continuum generation and filamentation during the propagation of ultrashort laser pulses in air // Optics Communications. - 2001. - T. 191. -№. 3. - C. 353-362.

23 Brodeur A., Chin S. L. Band-gap dependence of the ultrafast white-light continuum // Physical review letters. - 1998. - T. 80. - №. 20. - C. 4406.

24 Lin C., Stolen R. H. New nanosecond continuum for excited state spectroscopy // Applied Physics Letters. - 1976. - T. 28. - №. 4. - C. 216218.

25 Baldeck P. L., Alfano R. Intensity effects on the stimulated four photon spectra generated by picosecond pulses in optical fibers // Journal of Lightwave Technology. - 1987. - T. 5. -№. 12. - C. 1712-1715.

26 Gross B., Manassah J. T. Supercontinuum in the anomalous group-velocity dispersion region // JOSA B. - 1992. - T. 9. - №. 10. - C. 18131818.

27 Beaud P., Hodel W., Zysset B., Weber H. P. Ultrashort pulse propagation, pulse breakup, and fundamental soliton formation in a singlemode optical fiber // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1987. -T. 23. - №. ll.-C. 1938-1946.

28 Islam M. N., Sucha G., Bar-Joseph I,, Wegener M., Gordon J. P., Chemla D. S. Femtosecond distributed soliton spectrum in fibers // JOSA B. - 1989. - T. 6. - №. 6. - C. 1149-1158.

29 Stolen R. H., Lee C., Jain R. K. Development of the stimulated Raman spectrum in single-mode silica fibers // JOSA B. - 1984. - T. 1. - №. 4. -C. 652-657.

30 Ilev I., Kumagai H., Toyoda K., Koprinkov I. Highly efficient wideband continuum generation in a single-mode optical fiber by powerful broadband laser pumping // Applied optics. - 1996. -T. 35. -№. 15. - C. 2548-2553.

31 Hasegawa A., Tappert F. Transmission of stationary nonlinear optical pulses in dispersive dielectric fibers. I. Anomalous dispersion // Applied Physics Letters. - 1973. - T. 23. - №. 3. - C. 142-144.

32 Mollenauer L. F., Stolen R. H., Gordon J. P. Experimental observation of picosecond pulse narrowing and solitons in optical fibers // Physical Review Letters. - 1980. - T. 45. - №. 13. - C. 1095.

33 Shabat A. B., Zakharov ,V. E. A rigorous theory of two-dimensional self-focusing and self-modulation of waves in nonlinear media (Differential equation solution for plane self focusing and one dimensional self modulation of waves interacting in nonlinear media) // JETP. - 1971. - T. 61.-C. 118-134.

34 Satsuma J., Yajima N. B. Initial Value Problems of One-Dimensional Self-Modulation of Nonlinear Waves in Dispersive Media // Progress of Theoretical Physics Supplement. - 1974. -T. 55. - C. 284-306.

35 Stolen R. H., Tomlinson W. J., Mollenauer L. F. Observation of pulse restoration at the soliton period in optical fibers // Optics letters. - 1983. -T. 8. - №. 3. - C. 186-188.

36 Kim J. H., Chen M. K., Yang C. E., Lee J., Yin S. S., Ruffin P., Luo C. Broadband IR supercontinuum generation using single crystal sapphire fibers // Optics express. - 2008. - T. 16. - №. 6. - C. 4085-4093.

37 Buczynski R., Bookey H. T., Pysz D., Stepien R., Kujawa I., McCarthy J. E., Taghizadeh M. R. Supercontinuum generation up to 2.5 pm in photonic crystal fiber made of lead-bismuth-galate glass // Laser Physics Letters. - 2010. - T. 7. - №. 9. - C. 666.

38 Qin G., Yan X., Kito C., Liao M., Chaudhari C., Suzuki T., Ohishi Y. Ultrabroadband supercontinuum generation from ultraviolet to 6.28 jxm in a fluoride fiber // Applied Physics Letters. - 2009. - T. 95. - №. 16. - C. 161103.

39 Swiderski J., Michalska M. Over three-octave spanning supercontinuum generated in a fluoride fiber pumped by Er & Er: Yb-doped and Tm-doped fiber amplifiers // Optics & Laser Technology. - 2013. - T. 52. - C. 75-80.

40 Xia С., Kumar M., Kulkarni О. P., Islam M. N., Terry Jr F. L., Freeman M. J., Maze G. Mid-infrared supercontinuum generation to 4.5 цт in ZBLAN fluoride fibers by nanosecond diode pumping // Optics letters. - 2006. - Т. 31. - №. 17. - C. 2553-2555.

41 Kurkov A. S., Sadovnikova Y. E., Marakulin A. V., Sholokhov E. M. All fiber Er-Tm Q-switched laser // Laser Physics Letters. - 2010. - T. 7. -№. 11. -C. 795-797.

42 Камынин В. А., Курков А. С., Цветков В. Б. Генерация суперконтинуума в диапазоне 1.6-2.4 мкм с использованием стандартных оптических волокон // Квантовая электроника. - 2011. -Т.41.-№. 11.-С. 986-988.

43 Kamynin V. A., Kurkov A. S., Mashinsky V. М. Supercontinuum generation up to 2.7 цт in the germanate-glass-core and silica-glass-cladding fiber // Laser Physics Letters. - 2012. - T. 9. - №. 3. - C. 219.

44 Sorokin E., Naumov S., Sorokina I. T. Ultrabroadband infrared solidstate lasers // Selected Topics in IEEE Journal of Quantum Electronics. -2005. - Т. 11. - №. 3. - C. 690-712.

45 Spence D. E., Kean P. N., Sibbett W. 60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti: sapphire laser // Optics letters. - 1991. - T. 16. - №. l.-C. 42-44.

46 Buczynski R., Pysz D., Martynkien Т., Lorenc D., Kujawa I., Nasilowski Т., Stepien R. Ultra flat supercontinuum generation in silicate dual core microstructured fiber // Laser Physics Letters. - 2009. - T. 6. -№. 8. - C. 575.

47 Reeves W. H., Skryabin D. V., Biancalana F., Knight J. C., Russell P. S. J., Omenetto F. G., Taylor A. J. Transformation and control of ultra-short pulses in dispersion-engineered photonic crystal fibres // Nature. - 2003. - T. 424. -№. 6948. - C. 511-515.

48 Genty G., Coen S., Dudley J. M. Fiber supercontinuum sources // JOSA B. - 2007. - T. 24. - №. 8. - C. 1771-1785.

49 Agrawal G. P. Nonlinear Fiber Optics. - Academic Press, 2007.

50 Tai K., Hasegawa A., Tomita A. Observation of modulational instability in optical fibers // Physical review letters. - 1986. - T. 56. - №. 2. - C. 135.

51 Anderson D., Lisak M. Modulational instability of coherent optical-fiber transmission signals // Opt. Lett. - 1984. - T. 9. - №. 10. - C. 468-470.

52 Hermansson B., Yevick D. Modulational instability effects in PSK modulated coherent fiber systems and their reduction by optical loss // Optics communications. - 1984. - T. 52. - №. 2. - C. 99-102.

53 Tajima K. Self-amplitude modulation in PSK coherent optical transmission systems // Journal of Lightwave Technology. - 1986. - T. 4. -№. 7. - C. 900-904.

54 Shukla P. K., Rasmussen J. J. Modulational instability of short pulses in long optical fibers // Optics letters. - 1986. - T. 11. - №. 3. - C. 171-173.

55 Potasek M. J. Modulation instability in an extended nonlinear Schrodinger equation // Optics letters. - 1987. - T. 12. - №. 11. - C. 921923.

56 Uzunov I. M. Influence of intrapulse Raman scattering on the modulational instability in optical fibres // Optical and quantum electronics. - 1990. - T. 22. - №. 6. - C. 529-533.

57 Brainis E., Amans D., Massar S. Scalar and vector modulation instabilities induced by vacuum fluctuations in fibers: Numerical study // Physical Review A. - 2005. - T. 71. - №. 2. - C. 023808.

58 Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. - Academic Pr, 1989.

59 Picozzi A., Montes C., Botineau J., Picholle E. Inertial model for stimulated Raman scattering inducing chaotic dynamics // JOS A B. - 1998. -T. 15. -№. 4.-C. 1309-1314.

60 Chen C. J., Islam M. N., Stolen R. H., Menyuk C. R. Numerical study of the Raman effect and its impact on soliton-dragging logic gates // Optics letters.-1991.-T. 16.-№.21.-C. 1647-1649.

61 Kumar S., Selvarajan A., Anand G. V. Nonlinear copropagation of two optical pulses of different frequencies in birefringent fibers // JOSA B. -1994.-Т. 11. - №. 5.-C. 810-817.

62 Headley III C., Agrawal G. P. Noise characteristics and statistics of picosecond Stokes pulses generated in optical fibers through stimulated Raman scattering // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1995. - T. 31. -№. ll.-C. 2058-2067.

63 Headley III C., Agrawal G. P. Unified description of ultrafast stimulated Raman scattering in optical fibers // JOSA B. - 1996. - T. 13. - №. 10. - C. 2170-2177.

64 Stolen R. H., Ippen E. P. Raman gain in glass optical waveguides // Applied Physics Letters. - 1973. - T. 22. - №. 6. - C. 276-278.

65 Lin C., Stolen R. H. New nanosecond continuum for excited-state spectroscopy // Applied Physics Letters. - 1976. - T. 28. - №. 4. - C. 216218.

66 Lin C. Nonlinear optics in fibers for fiber measurements and special device functions // Journal of Lightwave Technology. - 1986. - T. 4. - №. 8.-C. 1103-1115.

67 Birks T. A., Wadsworth W. J., Russell P. S. J. Supercontinuum generation in tapered fibers // Optics letters. - 2000. - T. 25. - №. 19. - C. 1415-1417.

68 Dudley J. M., Provino L., Grossard N., Maillotte H., Windeler R. S., Eggleton B. J., Coen S. Supercontinuum generation in air-silica microstructured fibers with nanosecond and femtosecond pulse pumping // JOSA B. - 2002. - T. 19. - №. 4. - C. 765-771.

69 Takayanagi J., Nishizawa N., Nagai H., Yoshida M., Goto T. J Generation of high-power femtosecond pulse and octave-spanning ultrabroad supercontinuum using all-fiber system // Photonics Technology Letters, IEEE. - 2005. - T. 17. -№. 1. - C. 37-39.

70 A Husakou A. V., Herrmann J. Supercontinuum generation of higherorder solitons by fission in photonic crystal fibers // Physical Review Letters. - 2001. - T. 87. - №. 20. - C. 203901.

71 Beaud P. , Hodel, W., Zysset, B., & Weber, H. P. Ultrashort pulse propagation, pulse breakup, and fundamental soliton formation in a singlemode optical fiber // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1987. - T. 23. -№. 11.-C. 1938-1946.

t

72 Fotiadi A. A., Megret P. Self-Q-switched Er-Brillouin fiber source with extra-cavity generation of a Raman supercontinuum in a dispersion-shifted fiber //Optics letters.-2006.-Т. 31.-№. ll.-C. 1621-1623.

73 Pioger P. H., Couderc V., Leproux P., Champert P. A. High spectral power density supercontinuum generation in a nonlinear fiber amplifier //Optics express.- 2007. -T. 15.-№. 18.-C. 11358-11363.

74 Kamynin V. A., Volkov I. A., Nishchev K. N., Paramonov V. M., Kurkov A. S. Transformation of the supercontinuum spectra by the Ho-doped fiber amplifier // Laser Physics Letters. - 2014. - Т. 11. - №. 5. - C. 055105.

75 A.C. Курков, Волоконные лазеры: принципы построения и основные свойства. УлГУ 2012.

76 Е.М. Дианов, И.А. Буфетов, В.М. Машинский, А.В. Шубин, О. И. Медведков, А.Е. Ракитин, М.А. Мелькумов, В.Ф. Хопин, А.Н. Гурьянов, Волоконные ВКР-лазеры на световоде с высоким содержанием оксида германия в сердцевине // Квантовая электроника, 35, 5, 435-441 2005.

77 Kurkov A. S., Sholokhov Е. М., Medvedkov О. I. All fiber Yb-Ho pulsed laser // Laser Physics Letters. - 2009. - T. 6. - №. 2. - C. 135-138.

78 Kurkov A. S., Sholokhov E. M., Medvedkov О. I., Dvoyrin V. V., Pyrkov Y. N., Tsvetkov V. В., Marakulin A. V., Minashina L. A. Holmium fiber laser based on the heavily doped active fiber // Laser Physics Letters. - 2009. - T. 6. - №. 9. - C. 661-664.

79 Kurkov A. S., Sholokhov E. M., Marakulin A. V., Minashina L. A. Dynamic behavior of laser based on the heavily holmium doped fiber // Laser Physics Letters. - 2010. - T. 7. - №. 8. - C. 587.

80 Курков А. С., Шолохов E. M., Маракулин А. В., Минашина Л. A. Влияние концентрации активных ионов на эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров //Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40. - №. 5.-С. 386-388.

81 Курков А. С., Шолохов Е. М., Парамонов В. М., Косолапов А. Ф. Широкополосный источник излучения в области 2 мкм на основе волоконного световода, легированного ионами Но3+ // Квантовая электроника. - 2008. - Т. 38. -№. 10. - С. 981-982.

82 Kamynin V. A., Kablukov S. I., Raspopin К. S., Antipov S. О., Kurkov A. S., Medvedkov О. I., Marakulin A. V. All-fiber Ho-doped laser tunable in the range of 2.045-2.1 pm // Laser Physics Letters. - 2012. - T. 9. - №.12.-C. 893.

83. Poole S. В., Payne D. N., Mears R. J., Fermann M. E., Laming R. Fabrication and characterization of low-loss optical fibers containing rare-earth ions // Journal of Lightwave Technology. - 1986. - T. 4. - №. 7. - C. 870-876.

84. Белов A.B., Гурьянов A.H., Гусовский Д.Д., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Зверев Ю.Б., Курков А.С., Хопин В.Ф. Одномодовый волоконный световод на основе высокочистого кварцевого стекла, легированного ионами эрбия // Высокочистые вещества. 1990. - №3. -с.205.

85 Шолохов Е.М. Лазеры на основе оптических волокон, легированных ионами гольмия: диссертация канд. физ.-мат. наук: 01.04.21/ Шолохов Евгений Михайлович. - М., 2012. -100 с.

86 Камынин В. А., Курков А. С., Минеева Е. А., Маракулин А. В., Минашина Л. А. Влияние параметров резонатора гольмиевого волоконного лазера на характеристики самомодуляции добротности // Квантовая электроника. - 2012. - Т. 42. - №. 7. - С. 588-590.

87 Antipov S. О., Kamynin V. A., Medvedkov О. I. Marakulin А. V., Minashina L. A., Kurkov A. S., Baranikov А. V. Holmium fibre laser emitting at 2.21 цт // Quantum Electronics. - 2013. - T. 43. - №. 7. - C. 603-604.

88 Swiderski J., Michalska M. Mid-infrared supercontinuum generation in a single-mode thulium-doped fiber amplifier // Laser Physics Letters. -2013.-T. 10. -№. 3. -C. 035105.

89 De Matos P. S. F., Wetter N. U., Gomes L., Ranieri I. M., Baldochi S. L. A high power 2.3 цт Yb: Tm: YLF laser diode-pumped simultaneously at 685 and 960 nm //Journal of Optics A: Pure and Applied Optics.-2008.-T. 10.-№. 10.-C. 104009.

90 Myslinski P., Nguyen D., Chrostowski J. Effects of concentration on the performance of erbium-doped fiber amplifiers // Journal of Lightwave Technology. - 1997.-Т. 15.-№. l.-C. 112-120.

91 Плоцкий А. Ю., Курков А. С., Яшков M. Ю., Бубнов M. M., Лихачев M. E., Сысолятин А. А., Дианов E. M. Усилительные свойства активных световодов с высокой концентрацией ионов эрбия // Квантовая электроника. - 2005. - Т. 35. - №. 6. - С. 559-562.

92 "Авеста-Проект", www.avesta.ru

93 Ivanenko А. V., Kobtsev S. M., Kukarin, S. V., Kurkov A. S., Femtosecond Er laser system based on side-coupled fibers // Laser Physics. - 2010. - T. 20. - №. 2. - C. 341-343.

94 Anashkina E. A., Andrianov A. V., Koptev M. Y., Mashinsky V. M., Muravyev S. V., Kim A. V. Generating tunable optical pulses over the ultrabroad range of 1.6-2.5 pm in GeO 2-doped silica fibers with an Er: fiber laser source // Optics express. - 2012. - T. 20. - №. 24. - C. 2710227107.