Введение
Комбинация микроструктурированных оптических волокон и субнаносекундных лазеров на микрочипах позволяет создавать компактные и эффективные системы для генерации широкополосного суперконтинуума. Однородное спектральное уширение может быть достигнуто в режиме большой нормальной дисперсии с помощью модуляционных неустойчивостей, индуцируемых системой двойной накачки. В статье продемонстрировано, что того же эффекта можно добиться, используя лазер с одной накачкой и генерируя его частоту второй гармоники непосредственно в волокне.
Генерируемый предложенным методом суперконтинуум охватывает все окно прозрачности кварцевого оптического волокна, подтвержденный измерениями диапазон составил 350 – 1750 нм. Спектр разделен волной накачки на две части, плоскостность каждой около 5 дБ. Поперечный пространственный профиль выходного пучка в видимом диапазоне является одномодовым и строится на основе моды второго порядка (LP11) волокна.
Этот бюджетный компактный источник белого света подходит для применения в оптической когерентной томографии, конфокальной микроскопии, гематологической диагностике, а также спектроскопии.
Экспериментальная установка и характеристики микроструктурированного волокна
Установка показана на рисунке 1. Накачка осуществляется с помощью Nd:YAG лазера с модуляцией добротности производства LEUKOS, λ = 1064 нм, длительность импульса 600 пс. Полуволновая пластина вращает плоскость поляризации излучения, фокусирующая линза вводит излучение в микроструктурированное оптическое волокно.
Рисунок 1 — Схема экспериментальной установки
Микроструктурированное волокно имеет расстояние между отверстиями Λ около 2,2 мкм и средний диаметр отверстия d 1,5 мкм, отношение d/Λ равно 0,68, волокно является нелинейным и многомодовым. Такое волокно демонстрирует две моды распространения (основная мода LP01 и мода второго порядка LP11) для длин волн в видимом диапазоне и является строго одномодовым за пределами 1200 нм. Переход между этими двумя модами, составляющий около 1 мкм, является постепенным и позволяет передавать больше или меньше энергии двум поперечным модам. Рассчитанные кривые хроматической дисперсии этих двух мод представлены на рис. 2. Длина волны нулевой дисперсии моды LP01 – 870 нм, моды LP11 – 710 нм, вторая длина волны нулевой дисперсии – 1100 нм.
Рисунок 2 — Рассчитанные кривые хроматической дисперсии моды LP01 и моды LP11 микроструктурированного волокна. Вставка: изображение волокна в поперечном сечении, полученное сканирующим электронным микроскопом
Генерация второй гармоники в микроструктурированном волокне
При введении излучения 1064 нм в оптоволокно отчетливо наблюдается генерация энергии на длине волны 532 нм внутри волокна, что соответствует удвоению основной частоты, а также уширению линии 1064 нм (рис. 3). Генерация второй гармоники обусловлена локальными неоднородностями в кварцевом стекле, а также границей раздела сердцевина-оболочка, соответствующей границе раздела воздух-кварц, с которой сталкивается волна накачки, распространяющаяся в сердцевине. Эффективность генерации второй гармоники составляет несколько процентов, но этого достаточно для инициирования процессов модуляционных неустойчивостей.
Уширение видимого и ИК- спектров
Сгенерированный в результате двухволновой накачки (532 нм, 1064 нм) в режиме большой нормальной дисперсии суперконтинуум демонстрирует широкое плоское спектральное уширение в видимой области, без заметных пиков в спектре (рисунок 3). Условие согласования фаз достигается благодаря сильному нелинейному фазовому сдвигу в сочетании с особыми дисперсионными характеристиками волокна.
Континуум наблюдался также в ИК диапазоне (рисунок 4), т.е. в режиме аномальной дисперсии, в результате сочетания собственной и перекрестной фазовой модуляции, вынужденного комбинационного рассеяния и четырехволнового смешения. В конечном итоге зафиксированное анализатором полное уширение составляет от 350 до 1750 нм и охватывает все окно прозрачности кварца. Плоскостность каждой части спектра около 5 дБ. Уровень видимой части на 10 дБ ниже уровня инфракрасной.
Выходной пучок пространственно одномодовый, с типичным поперечным распределением моды LP11 в видимом диапазоне, как показано на вставке на рисунке 4. Инфракрасная часть спектра от 1 мкм распространяется в моде LP01, тогда как энергия между 750 и 1000 нм распространяется как в моде LP01, так и в моде LP11.
Рисунок 3 — Спектр, измеренный на выходном конце микроструктурированного волокна, демонстрирующий генерацию второй гармоники на 532 нм (RPP – остаточная мощность накачки микрочипового лазера). Пиковая мощность накачки на 1064 нм: 100 Вт
Рисунок 4 — Спектральное уширение, измеренное в видимом и ИК диапазонах (пиковая мощность накачки на 1064 нм: 6 кВт). Вставка: дифрагированный пучок на выходе волокна и поперечное распределение дальнего поля (мода LP11)
Заключение
Продемонстрирована генерация сверхширокополосного суперконтинуума в нелинейном оптическом волокне с воздушно-кварцевой микроструктурой. Впервые использована генерация второй гармоники от основной накачки 1064 нм непосредственно в волокне. В качестве источника накачки использовался простой субнаносекундный лазер на микрочипе производства LEUKOS. Выходной пучок является одномодовым в видимой области, и его спектр распространяется на все окно прозрачности кварца (350-1750 нм). Это спектральное уширение достигается благодаря процессу нестабильности модуляции, в котором задействована накачка на длине волны 532 нм.
Результатом эксперимента стала разработка компактного и бюджетного источника когерентного белого света. Этот метод открывает новые перспективы для многоволновой накачки нелинейных микроструктурированных оптических волокон.
Компания INSCIENCE занимается поставками решений для генерации суперконтинуума
В статье описана генерация сверхширокого плоского суперконтинуума (350-1750 нм) с одномодовым поперечным профилем в видимом диапазоне. Для накачки микроструктурированного оптического волокна используется лазер с длиной волны 1064 нм, вторая гармоника накачки генерируется непосредственно в волокне.
В статье приводится применение и основные параметры одночастотных лазеров. Сравниваются лазеры CNI серии MSL с известными европейскими и американскими производителями.
В статье описан метод генерации суперконтинуума, расширенного в видимый диапазон. За счет четырехволнового смешения накачка 1064 нм создает антистоксовы и стоксовы компоненты на 831 нм и 1478 нм. Фазовый синхронизм обеспечивается благодаря микроструктурированному мультимодальному волокну особой конструкции.
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
