Способ определения времени релаксации плёночного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации

Область техники

Способ относится к способам измерения и контроля, используемым в исследованиях просветляющихся поглотителей на основе пленок для измерения значения времени релаксации. Просветляющиеся поглотители в виде пленок с находят широкое применение в создании фемтосекундных лазеров, так как обладают рядом преимуществ относительно других просветляющихся поглотителей, используемых в фемтосекундных лазерах. Наиболее ярким представителем пленочных просветляющихся поглотителей являются полимерный пленки с диспергированными в них одностенными углеродными нанотрубками или графен.

Уровень техники

Принцип работы просветляющихся поглотителей заключается в том, что он имеет высокое значение коэффициента поглощения для излучения с низкой интенсивностью и низкое значение коэффициента поглощения для излучения с большой интенсивностью. Такая особенность работы обусловлена насыщением просветляющегося поглотителя под действием высокой интенсивности излучения. Используя эту особенность можно осуществлять механизм дискриминации мод для реализации пассивной синхронизации мод в лазерах ультракоротких импульсов, также добиться сокращения длительности импульсов лазеров путем поглощения части излучения переднего и заднего фронтов импульсов, где их интенсивность не достаточна для просветления. Просветляющиеся поглотители могут использоваться в различных лазерных системах для создания импульсной генерации или коррекции ультракоротких импульсов. Важнейшей характеристикой просветляющегося поглотителя является время релаксации, это время, за которое коэффициент поглощение восстанавливается в е раз (2,718 раз) после достижения насыщения. Знание времени релаксации просветляющегося поглотителя является важной информацией для реализации схем лазеров с устойчивой генерацией ультракоротких импульсов.

На сегодняшний день для измерения времени релаксации применяют метод «возбуждение-зондирование» (в зарубежной литературе "pump-probe"). В методе используется импульсный лазерный источник с ультракороткой длительностью импульса, излучение которого делится на две части. Возбуждающий импульс обеспечивает насыщение просветляющегося поглотителя, а зондирующий импульс подходит к исследуемому просветляющемуся поглотителю через заданное при помощи линии задержки время после возбуждающего импульса. По разности интенсивности исходного зондирующего импульса и зондирующего импульса, прошедшего через просветляющийся поглотитель, можно судить о времени релаксации. Данный метод описывается в патенте США US 8982451 В2 от 17.03.2015, а также в патенте US 7961379 В2 14.06.2011. К недостаткам этого метода можно отнести использование многокомпонентной измерительной схемы, которая включает в себя точную оптическую линию задержки, систему синхронизации, а также сложный приемный канал. Достоинством данного метода является точность измерения времени релаксации просветляющегося поглотителя.

Для реализации разработанного способа измерения времени релаксации необходимо использовать волоконный фемтосекундный лазер, схожие схемы которого представлены в патентах США US 2012/0039344 А1 от 16 февраля 2012 и US 2010/0296527 А1 25 ноября 2010.

Раскрытие изобретения

Задачей способа является упрощение схемы стенда для измерения времени релаксации просветляющихся поглотителей на основе пленок.

Технический результат - упрощение конструкции и удешевление измерительного стенда для измерения времени релаксации просветляющихся поглотителей на основе пленок.

Технический результат достигается за счет того, что в качестве измерительного стенда используется волоконный фемтосекундный лазер, работающий режиме генерации солитонов, с использованием исследуемой пленки в качестве просветляющегося поглотителя, с подключенными к нему измерительными приборами, такими как: автокоррелятор и измеритель оптической мощности излучения.

Способ определения времени релаксации пленочного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации солитонов, заключается в измерении длительности импульсов волоконного фемтосекундного лазера при различных энергиях импульсов, в резонатор которого установлен модуль с исследуемыми пленками. В качестве фемтосекундного лазера необходимо использовать волоконный кольцевой фемтосекундный лазер, работающий в режиме генерации солитонов. В состав волоконного кольцевого лазера должны входить активное и пассивное волокна с отрицательной дисперсией групповых скоростей (ДГС) (необходимое условие для реализации режима генерации солитонов). Последовательность расположения элементов в волоконном лазере (фиг. 1), используемом для измерения времени релаксации, может быть по необходимости изменена, но все они должны быть включены в схему. Выбор режима генерации солитонов связан с тем, что данный режим обладает хорошей устойчивостью генерации, легко реализуется и имеет высокую повторяемость результатов. Для определения времени релаксации просветляющегося поглотителя необходимо установить исследуемую пленку в модуль. Далее получить устойчивый режим генерации фемтосекундных импульсов при минимально возможной мощности накачки и измерить длительность импульса. После того как устойчивая генерация была получена, постепенно увеличивается мощность лазера накачки с определенным шагом при этом измеряем длительность импульсов волоконного лазера и среднюю выходную мощность фемтосекундного лазера при каждом увеличении мощности лазера накачки. Увеличение мощности лазера накачки производится до того момента, когда уже нет возможности получить устойчивую генерацию. На базе измеренных данных о длительности импульса, средней мощности и частоте следования импульсов (высчитывается из длины резонатора фемтосекундного лазера, при условии одноимпульсной генерации) вычисляется энергия импульса и соотносится с его длительностью. Полученные данные аппроксимируются экспоненциальной функцией.

Согласно исследованиям, полученным работе (Alexander A. Krylov, Stanislav G. Sazonkin, Natalia R. Arutyunyan, Vyacheslav V. Grebenyukov, Anatoly S. Pozharov, Dmitry A. Dvoretskiy, Elena D. Obraztsova, and Evgeny M. Dianov, "Performance peculiarities of carbon-nanotube-based thin-film saturable absorbers for erbium fiber laser mode-locking," J. Opt. Soc. Am. В 33, 134-142 (2016)) значение асимптоты to (аналогичное значение то показано на фиг. 2) можно интерпретировать как время релаксации просветляющегося поглотителя. Таким образом определяется время релаксации исследуемого просветляющегося поглотителя.

Важной особенностью волоконного фемтосекундного лазера, участвующего в измерении времени релаксации, является значение общей ДГС резонатора. Так как волоконный лазер работает в режиме генерации солитонов, то общая ДГС резонатора имеет отрицательное значение. В тоже время, из работы (V.J. Matsas, W.Н. Loh, and D.J. Richardson, "Self-starting, Passively Mode-Locked Fabry-Perot Fiber Soliton Laser Using Nonlinear Polarization Evolution," IEEE Photon Technol Letts 5, 492-494 (1993)) известно, что минимальная длительность импульса солитонного лазера зависит от значения общей ДГС резонатора и вычисляется по формуле:

где β_Т - общая ДГС резонатора лазера (в пикосекундах в квадрате). Таким образом, общая ДГС резонатора должна быть подобрана таким образом, чтобы минимальная длительность импульса, определяемая значением ДГС была существенно меньше, чем то для исследуемых просветляющихся поглотителей. Например, типичное время релаксации просветляющегося поглотителя на основе одностенных углеродных нанотрубок при возбуждении на длине волны 1550 нм составляет около 500 фс. Для исследования таких поглотителей оптимально использовать резонаторы, в которых общее значение ДГС имеет небольшое отрицательное значение. При значение общей ДГС резонатора β_Т≈-0,1 пс², минимальная длительность импульса составляет примерно 200 фс.

Таким образом, можно отметить следующие существенные отличия предлагаемого технического решения от метода "возбуждение-зондирование", которое выбрано в качестве прототипа:

1. Отсутствие в схеме измерительного стенда высокоточных узлов, а также отсутствие необходимости в тонких юстировках стендового оборудования при замене исследуемого образца.

2. Использование разработанного способа в условиях лаборатории, которая занимается исследованием и разработкой волоконных фемтосекундных лазеров, возможно без дополнительных затрат на дорогостоящее оборудование, так как автокоррелятор и измеритель оптической мощности являются основными инструментами для исследования волоконных фемтосекундных лазеров.

Перечень фигур

На фиг. 1 изображена структурно-функциональная схема кольцевого волоконного лазера, используемого для получения данных о параметрах пленки просветляющегося поглотителя.

На фиг. 2 изображен пример аппроксимации данных о длительности и энергии импульсов, а также асимптота то, которую можно интерпретировать как время релаксации просветляющегося поглотителя.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показана одна из возможных схем для реализации способа определения времени релаксации пленочного просветляющегося поглотителя с помощью фемтосекундного волоконного лазера в режиме генерации солитонов. Полностью волоконный кольцевой фемтосекундный лазер состоит из источника накачки, активного оптического одномодового волокна, пассивного оптического одномодоводого волокна, мультиплексора, оптического разветвителя, оптического изолятора, модуля для установки пленочного просветляющегося поглотителя, контроллера поляризации. Излучение лазера накачки через мультиплексор подводится к активному волокну, таким образом в активном волокне создается инверсная населенность. После активного волокна устанавливается оптический изолятор, который обеспечивает однонаправленную генерацию в лазере. Далее располагается оптический разветвитель, при помощи которого из резонатора выводится часть излучения и поступает на измерительное оборудование (на автокоррелятор и измеритель мощности оптического излучения излучение поступает через дополнительный разветвитель). Часть излучения, оставшееся в резонаторе лазера, поступает в пассивное оптическое волокно, необходимое для создания требуемого значения общей ДГС резонатора. Модуль, в котором находятся исследуемые пленки, располагается после пассивного волокна и перед мультиплексором, таким образом кольцевой резонатор замыкается. Сам модуль состоит из двух коннекторов АРС, между которыми зажимается пленка с исследуемым просветляющимся поглотителем. В модуле необходимо использовать именно коннекторы АРС, так как в таком случае отсутствует обратное отражение в резонаторе лазера.

Автокоррелятор, необходимый для проведения измерений должен обладать соответствующей чувствительностью и возможностью измерять длительности импульсов в диапазонах от 100 до 1000 фс с погрешностью не более 5%. Измеритель мощности оптического излучения необходим для измерения средней мощности выходного излучения лазера и дальнейшего нахождения энергии импульса. Измеритель мощности оптического излучения должен обеспечивать измерения мощности в диапазонах от 1 мкВт до 1 Вт с погрешностью не более 5%.

На фиг. 1 изображены: 1 - лазерный диод накачки; 2 - спектрально селективный волоконный ответвитесь оптического излучения; 3 - активный волоконный световод; 4 - изолятор оптического излучения; 5, 6 - волоконно-оптический разветвитель оптического излучения; 7 - автокоррелятор; 8 - измеритель мощности оптического излучения; 9 - поляризационный контроллер оптического излучения; 10 - волоконный световод с отрицательным значением ДГС; 11 - модуль, в который устанавливаются исследуемые просветляющиеся поглотители на основе пленок.

Измерение длительности импульсов начинается с пороговой мощности излучения накачки, т.е. с того момента, когда в волоконном фемтосекундном лазере будет получена устойчивая генерация ультракоротких импульсов при минимально возможной мощности накачки. Шаг измерения должен быть, достаточным для осуществления аппроксимации с минимальной погрешностью. Полученные данные зависимости длительности импульса от энергии импульса аппроксимируются экспоненциальной функцией:

τ_р(Е_р)=τ₀+А⋅ехр(-Е_р/Е₀)

где τ_р - длительность импульса (измеряется автокоррелятором); Е_р - энергия импульса (высчитывается из полученных данных о длительности импульса, средней мощности лазера и частоте следования импульсов); E₀ - энергия насыщения просветляющегося поглотителя; τ₀ - асимптота; А - константа. Значение асимптоты τ₀ эквивалентно времени релаксации просветляющегося поглотителя. Пример аппроксимации данных с использованием метода определения времени релаксации просветляющегося поглотителя на фиг. 2.