Волоконный суперконтинуум лазер среднего ИК диапазона 2-10 мкм

Суперконтинуум (СК) источники среднего инфракрасного (ИК) диапазона 2-10 мкм “fingerprint region” в настоящее время очень востребованы для широкого спектра приложений, включающие оптическую когерентную томографию, дистанционное зондирование, молекулярную спектроскопию и гиперспектральную визуализацию. В данной статье исследуется генерация СК среднего ИК диапазона в каскадной волоконной системе из халькогенида, диоксида кремния и ZBLAN, которая напрямую накачивается коммерчески доступным импульсным волоконным лазером, работающим в третьем окне прозрачности на длине волны 1,55 мкм. Показано, что эта волоконно-оптическая система генерирует плоский широкополосный СК в среднем ИК диапазоне в области от 2 до 10 мкм с выходной мощностью в несколько десятков мВт. Этот метод открывает путь к недорогим, практичным и надежным широкополосным источникам СК в среднем ИК диапазоне без необходимости использования в качестве накачки приборов среднего ИК-диапазона или волоконных тулиевых усилителей.

Введение

В последнее десятилетие волоконные суперконтинуум источники нашли применение для широкого спектра промышленных и научных задач. Благодаря уникальным свойствам, сочетающим высокую яркость, широкую многооктавную полосу частот, волоконную доставку излучения и одномодовый режим, у СК источников постоянно появляются новые области применения: оптическая когерентная томография (ОКТ), обработка материалов, химическое зондирование, мониторинг газов, широкополосная визуализация и спектроскопия поглощения. В настоящее время проводятся исследования, направленные на расширение области длин волн в сторону среднего ИК диапазона 2–20 мкм. Для вытяжки нелинейных волокон использовались различные мягкие стекла на основе халькогенида (As₂S₃, GeAsSe), теллурита (TeO₂), теллурида (GeTe, GeAsTeSe) и оксидов тяжелых металлов (PbO-Bi₂O₃-Ga₂O₃-SiO₂-CdO), и ZBLAN (ZrF₄ –BaF₂ –LaF₃ –AlF₃ –NaF), а эксперименты показали высокую эффективность генерации СК в среднем ИК диапазоне до 14 мкм в халькогенидных и до 16 мкм в теллуридных волокнах. Однако большинство из этих источников СК среднего ИК диапазона использовались вместе с громоздких источниками накачки, такими как оптические параметрические генераторы (OПГ) и усилители (OПУ). Волоконные лазеры среднего ИК диапазона и каскадные волоконно-оптические системы в последнее время становятся более привлекательными и перспективными решениями для практических и коммерческих приложений. Эти системы на основе волоконных лазеров действительно открывают путь к созданию настольных, практичных и надежных источников СК среднего ИК диапазона с высокой спектральной плотностью мощности. Особый интерес представляют каскадные волоконно-оптические системы, поскольку они накачиваются стандартными импульсными волоконными лазерами в диапазоне третьего окна прозрачности. При каскадной генерации СК исходный импульс волоконного лазера на длине волны 1550 нм постепенно смещается в красную область в структуре волокон из кварцевого и мягкого стекла, обеспечивая ступенчатое расширение в направлении больших длин волн. С фундаментальной точки зрения, общая цель состоит в том, чтобы сильно увеличить собственный сдвиг частоты солитона (ССЧС) посредством использования высоконелинейных сегментов волокна с учетом дисперсии для сдвига генерации СК далеко в средний ИК диапазон.

В данной статье демонстрируется генерация СК в среднем ИК диапазоне от 2 до 10 мкм в каскадной волоконной системе на основе диоксида кремния-ZBLAN-As₂Se₃, с накачкой от имеющегося в продаже импульсного волоконного лазера с длительностью импульса 460 пс и длиной волны 1,55 мкм без каких-либо усилителей. Также представлена подробная информация об экспериментальной системе каскадных волокон и обсуждается выбор таких параметров, как хроматическая дисперсия и нелинейные коэффициенты, используемые для оптимизации спектрального расширения.

Эксперимент

Схема экспериментальной установки для каскадной генерации СК среднего ИК диапазона показана на рисунке 1 (а). Она состоит из трех имеющихся в продаже оптических волокон: одномодового волокна из кварцевого стекла (SMF-28) длиной 20 см, волокна ZBLAN длиной 25 м и фотонно-кристаллического волокна из халькогенидного стекла длиной 9 м. Эта каскадная оптоволоконная система накачивалась компактным (90 × 70 × 15 мм³) импульсным волоконным лазером, который обеспечивает высокую пиковую мощность импульсов (18 кВт), среднюю выходную мощность 750 мВт, ограниченный в ближней зоне дифракции пучок со случайно поляризацией (M² < 1.1), импульсы шириной 460 пс при частоте 100 кГц и центральной длине волны 1550,6 нм. Этот компактный лазер в основном используются в качестве дальномеров и лидаров. Ключевым элементом системы является высокочастотный фильтр среднего ИК диапазона (ВЧФ), расположенный между ZBLAN и халькогенидным волокном. Этот фильтр не пропускает длины волн ниже 1,9 мкм. Это предотвращает двухфотонное поглощение (ДФП) и оптическое повреждение в халькогенидном волокне, обеспечивая лучшую стабильность источника СК. Спектры СК регистрировались с помощью оптического спектрометра среднего ИК диапазона c монохроматором и высокочувствительным детектор Hg-Cd-Te.

Рисунок 1. a) Экспериментальная установка для генерации СК в среднем инфракрасном диапазоне в каскадной волоконно-оптической системе диоксид кремния-ZBLAN-халькогенид. b) Экспериментальные спектры СК на выходе из волокна ZBLAN (голубой) и после высокочастотного фильтра (темно-синий). c) Экспериментальный спектр СК на выходе из халькогенидного волокна (желтый). На вставках показаны профили распределения показателя преломления в оптических волокнах ZBLAN (b) и халькогенидов (c)

Экспериментальные данные представлены в трех ключевых точках каскадной оптоволоконной установки (A, B, C). Первый спектр, показанный на рисунке 1 (b) (светло-голубой), был измерен на выходе из волокна ZBLAN в точке (A) перед фильтром. Суперконтинуум имеет диапазон от 0,7 до 4,1 мкм. На вставке к рисунку 1 (b) показан профиль волокна ZBLAN, измеренный с помощью ИК камеры. Второй спектр, показанный на рисунке 1 (b) (темно-синий), был измерен после фильтра в точке (B). Это отфильтрованный ИК спектр, который вводится в халькогенидное волокно. Окончательный спектр СК на выходе халькогенидного волокна показан на рис. 1 (с) желтым цветом. Как видно, размер результирующего СК составляет от 2 до 9,8 мкм с относительно гладкой и ровной полосой пропускания. Однако измеренный спектр показывает значительное уменьшение спектральной интенсивности для более коротких длин волн (особенно от 2 до 4 мкм). Измеренная средняя мощность на выходе составляет 16 мВт, что соответствует примерно 2% от средней мощности накачки (750 мВт). В каскадной системе возникают значительные потери, в основном из-за оптики между ZBLAN и халькогенидным волокнами, включая Френелевское отражение из-за несовпадения диаметров модового поля, асферических линз, дефектов скола и оптического несовпадения. Все эти потери и выходная мощность каждой ступени каскадной волоконной системы отмечены красным цветом на рисунке 1 (a). Несмотря на такую ​​низкую эффективность преобразования, яркость этого источника в несколько микроватт на нанометр достаточна для практических приложений. Стоит отметить, что спектры, полученные на выходе из каждого волокна при максимальной мощности накачки (750 мВт) выглядят очень плоско, из-за чего трудно сказать, какой именно механизм уширения является преобладающим. Однако, было замечено, что при уменьшении входного тока в лазер накачки (с 4600 до 3600 мА) СК в оптоволокне ZBLAN значительно уменьшает его латеральное удлинение на длинах волн от 4,2 мкм до 3,5 мкм, тем самым ограничивая дополнительное растяжение в ступенях халькогенидного волокна.

Результаты моделирования

В этом разделе представлены результаты моделирования для трех различных длительностей импульсов накачки: 50, 200 и 460 пс (длительность была измерена экспериментально). Все спектральные и временные изменения нанесены на цветные карты относительной интенсивности с диапазоном в 80 дБ от синего до красного (рисунок 2). Для моделирования использовался гауссовский импульс. Квантовый шум был добавлен к начальному импульсу после модели «один фотон на моду». Также представлены численные модели, используемые для каждого волокна, включая дисперсию, нелинейные параметры и потери. Для трех импульсов накачки была выбрана пиковая мощность 6 кВт для лучшего согласования с экспериментальными результатами. Для этого типа моделирования используется пиковая мощность ниже экспериментальной, которая в данном случае составляет около 18 кВт. Это связано с тем, что моделирование учитывает идеально поляризованное и одномодовое распространение. В экспериментальных условиях случайная поляризация и многомодовое поведение, как правило, пагубно сказываются на механизмах спектрального уширения, из-за чего возникает потребность в большей пиковой мощности. Моделирование проводилось для трех длительностей импульса накачки в волокне SMF-28 и ZBLAN. Как и ожидалось, согласно теории генерации СК с помощью квазинепрерывных импульсов, показано, что те же самые механизмы имеют место и для трех различных длительностей импульсов накачки, и что экспериментальные полосы пропускания СК на выходе ZBLAN и халькогенидных волокон могут быть достигнуты с помощью накачки импульсами длительностью до 50 пс. Алгоритм МФРЩ требует высокой продольной точности в халькогенидном волокне из-за высокой нелинейности (γ₀ = 720 км^-1Вт^-1). В результате для моделирования импульсов накачки 200 и 460 пс, для которых требуется как минимум N_t = 2²¹ точек выборки, для вычислений потребует очень много времени. Поэтому моделирование в халькогенидном волокне проводилось только с промежуточными результатами ZBLAN для импульса накачки 50 пс.

Рисунок 2. а) временное и b) спектральное распространение импульса в кварцевом волокне (SMF-28) длительностью 460 пс и пиковой мощности 6 кВт.

Кварцевое волокно

Результаты моделирования распространения в одномодовом кварцевом 20 см волокне показаны на рисунке 2 в виде цветовой карты для импульса с длительностью 460 пс. Форма импульса практически не меняется на всем участке волокна. Единственная примечательная особенность – это появление слабых МН Стоксовых и анти-Стоксовых боковых компонентов около 1,51 и 1,59 мкм соответственно. Их можно увидеть по обе стороны от накачки на цветовой карте, как показано в верхней части рисунка 2 (b). Стоит отметить, что первый сегмент волокна практически не влияет на общую эволюцию СК в ZBLAN и халькогенидном волокнах.

ZBLAN волокно

Смоделированные спектральные и временные изменения в волокнах из диоксида кремния и ZBLAN показаны на рисунке 3. На рисунке 3 (c) производится сравнение результрующего смоделированного спектра после распространения в волокне с экспериментальной кривой. В результате отклонение между двумя спектрами незначительно. Это связано с тем, что общая полоса пропускания и собственный сдвиг частоты солитона (ССЧС) ограничивается только окном передачи волокна в средней ИК области, которое заканчивается между 4 и 4,5 мкм. Распад импульса на серию солитонов происходит после 2 м (рисунок 3 b). За пределами этой точки отчетливо виден непрерывный рамановский сдвиг собственной частоты солитонов как в спектральном, так и во временном изменении, поскольку они постепенно отделяются от основного импульса из-за увеличения дисперсии с ССЧС. Также можно наблюдать столкновения солитонов. Они проявляются как резкое увеличение ширины полосы спектра на длинноволновой стороне (например, около 16 мкм при распространении спектра 50 пс). Видно, что дисперсионные волны быстро уходят от основного импульса за время, превышающее 1000 пс. Что касается ширины полосы, моделирование обеспечивает почти идеальное совпадение с экспериментом (в пределах 0,05 мкм на уровне максимальной интенсивности в 20 дБ).

Из рисунка 3 (b) видно, что СК в ZBLAN достиг максимального расширения на длине волны 4,2 мкм на дистанции около 13 м. На большем расстоянии СК сужается из-за края поглощения около 4 - 4,2 мкм в ZBLAN, и, поскольку в волокне ZBLAN между 15 и 25 м практически ничего не меняется, это может указывать на то, что пиковая мощность солитонов не очень велика, нелинейные эффекты перестают оказывать сильное влияние, а дисперсия продолжает увеличивать длительность импульсов солитонов. Следовательно, было бы более эффективно ограничить длину волокна ZBLAN до 13 - 15 м, чтобы вывести его выходной СК (который является более широким и, возможно, более интенсивным солитонным цугом) в халькогенидное волокно.

Рисунок 3. a) Спектральное и b) временное изменение импульса накачки 460 пс, (с) экспериментальные и рассчетные спектры

Чтобы получить представление о процессах, инициирующих генерацию СК в оптоволокне ZBLAN, на рисунке 4 детально отображены первые 50 см распространения импульса. Самые сильные боковые полосы соответствуют МН Стоксовым и анти-Стоксовым компонентам рамановского рассеяния - около 1,42 и 1,70 мкм. Около 1,51 и 1,59 мкм – остаточные боковые полосы МН от кварцевого волокна. Слабые боковые полосы МН ZBLAN видны в районе 1,39 и 1,755 мкм. Каждая из пар длин волн, представленных здесь, и обозначенных на графике, была рассчитана теоретически. Длины волн МН могут быть получены из того же уравнения, что и для кварцевого волокна, а длины волн комбинационного рассеяния соответствуют пику рамановского усиления ZBLAN при 17,4 ТГц.

Рисунок 4. Исхожное распространение спектра в ZBLAN волокне и пики рамановского рассеяние при 17,4 ТГц.  Длины волн, отмеченные пунктирными линиями, соответствуют теоретическим длинам волн МН и комбинационнму рассеяния света, вычисленным с помощью уравнения фазового синхронизма.

На основе теории и моделирования подтверждается, что изменение по времени и по спектру импульса длиной 460 пс хорошо аппроксимируется импульсом 50 пс. Более длинные импульсы просто обеспечивают более длинный набор солитонов, но это не меняет статистического распределения пиковых мощностей и длительностей. Поэтому, в дальнейшем моделирование будет проводиться только с импульсом накачки 50 пс, чтобы сэкономить время вычислений. На рисунке 5 показан отфильтрованный смоделированный спектр в сравнении с экспериментальным отфильтрованным спектром с использованием входного импульса 50 пс. Это спектр, входящий в халькогенидное волокно.

Рисунок 5. Отфильтрованный спектр, введенный в халькогенидное волокно

Халькогенидное волокно

Результаты моделирования для первых 2 см распространения в халькогенидном волокне показаны на рисунке 6. Спектр инжекции отфильтрованного выходного излучения из ZBLAN полностью соответствует нормальному режиму дисперсии халькогенидного волокна, ДВНД которого составляет 4,838 мкм (отмечен пунктирной линей). Начальное распространение спектра показывает, что из серии тысяч импульсов, инжектированных в халькогенидное волокно, часть из них имеет достаточно малую ширину T₀, чтобы пройти через нулевую дисперсию за счет внутриимпульсного рамановского рассеяния (ВРР). Импульсы, пересекающие ДВНД, превращаются в солитоны и создают начальный континуум низкой интенсивности на длинноволновой стороне через ССЧС.

Рисунок 6. Начальное изменение спектра в халькогенидном волокне

Изменение спектра по всей длине халькогенидного волокна показано на рисунке 7. В верхней части рисунка изображено сравнение окончательного смоделированного выходного и экспериментального спектров. Что касается спектральной ширины полосы, численный результат почти полностью совпадает с экспериментальными данными. Если сравнить численную и экспериментальную ширину полосы пропускания СК при –20 дБ максимальной интенсивности, получится отклонение всего в 0,04 мкм по всей ширине 8 мкм. Что касается волокна ZBLAN, спектральное уширение в халькогенидном волокне ограничивается только его окном прозрачности и потерями на ограничении.

Рисунок 7. Полное изменение спектра в халькогенидном волокне с окончательным выходным спектром

Изменение спектра на рисунке 7 демонстрирует интересную динамику СК. От 0 до 5 м большая часть энергии остается в режиме нормальной дисперсии (β₂> 0). Энергия быстро накапливается на границе окна прозрачности (около 9,5 мкм) от импульсов, которые первоначально пересекали ДВНД. Эти солитоны имеют тенденцию как накоплению вокруг вышеупомянутой длины волны, поскольку их ССЧС тормозится верхней границей окна пропускания.

Заключение и рекомендации

В данной работе был разработан широкополосный волоконно-оптический источник суперконтинуума, охватывающий диапазон от 2 до 10 мкм, с выходной мощностью 16 мВт. Достигнуто это было с помощью использования каскадной структуры оптических волокон ZBLAN-халькогенид, напрямую накачиваемых компактным импульсным волоконным лазером с длиной волны 1550 нм без использования волоконных тулиевых усилителей. Также в этой каскадной волоконной системе было проведено численное моделирование генерации широкополосных СК в среднем инфракрасном диапазоне. Расчеты согласуются с теорией генерации квазинепрерывных СЭ с высокой точностью. Показано, что усиление шума за счет МН и рамановского усиления приводит к разбиению огибающей импульса на хаотическую последовательность солитонов, которая расширяет спектр за счет рамановского сдвига собственной частоты и дисперсионных волн. Что касается полосы пропускания, численные результаты почти идентичны экспериментальным спектрам как на выходе волокна ZBLAN (в пределах 0,05 мкм на уровне -20 дБ), так и в халькогенидном волокне (в пределах 0,04 мкм на уровне -20 дБ). Результирующее излучение представляет собой плоский широкополосный спектр, охватывающий средний ИК диапазон от 2 до 10 мкм. Дальнейшее уширение ограничивается окном пропускания халькогенидного волокна. Основная рекомендация, основанная на численном моделировании –  использовании более короткого волокна ZBLAN (около 13 м) и халькогенидного микроструктурированного волокна с меньшим диаметром сердцевины (в идеале 7 мкм). Это сместит длину волны с нулевой дисперсией в сторону более коротких волн (< 4 мкм) и позволит заполнить желаемое окно (от 2 до 10 мкм) только несколькими сантиметрами волокна (на основе численного моделирования), уменьшая при этом линейные потери (8,3 дБ). Вторая рекомендация – изучение различных вариантов систем фильтрации ИК излучения в целях избегания использования оптики свободного пространства. Оптика свободного пространства и повторное соединение с халькогенидным волокном приводит к значительным потерям в системе. Например, полностью волоконная система фильтрации обеспечит улучшенную герметичность и снижение потерь. Антибликовое покрытие или нанопечать халькогенидных волокон также может значительно снизить Френелевский потери и порог входного повреждения. Это позволит значительно увеличить как выходную мощность, так и спектральную плотность мощности. Еще один способ уменьшить оптику свободного пространства в каскадной оптоволоконной схеме – сращивание диоксида кремния и волокна ZBLAN. Наконец, в качестве четвертого волокна необходимо добавить в систему волокно из теллуридного стекла. Это потенциально позволило бы еще больше расширить спектр и достичь длин волн, превышающих 10 мкм. Свойства поляризации и когерентности каскадного СК излучения в среднем ИК диапазоне являются дополнительными ключевыми параметрами для некоторых приложений, таких как ОГТ в среднем ИК диапазоне и интерферометрические измерения. Можно было бы, например, заменить волоконный лазер и каскадную систему волокнами, сохраняющими поляризацию. Что касается когерентности, очевидно, что эта каскадная волоконная система не поддерживает исходную временную когерентность входного лазера, но можно было бы рассмотреть халькогенидные волокна с нормальной дисперсией (НД), которые, для улучшения этой характеристики, накачиваются напрямую фемтосекундными волоконными лазерами среднего ИК диапазона. Тем не менее, несмотря на упомянутые недостатки, нынешний суперконтинуум среднего инфракрасного диапазона для всех волоконных источников найдет несколько применений и станет ориентиром для улучшения таких широкополосных источников в других оптоволоконных или чиповых фотонных платформах.

© Le Verre Fluoré, LEUKOS, SelenOptics

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Le Verre Fluoré, LEUKOS, SelenOptics на территории РФ