Насыщающийся поглотитель на основе упорядоченных одностенных углеродных нанотрубок

Волоконные лазеры ультракоротких импульсов (УКИ) широко используются в различных областях науки и техники: в медицине для неинвазивной диагностики в составе исследовательских комплексов на основе терагерцовой импульсной спектроскопии, в частотной

• (с) Исмаил А., Арутюнян Н. Р., Образцова Е.А., Натсуми Коматсу, Юничиро Коно, Образцова Е.Д., 2024

2.    Основные характеристики упорядоченных одностенных углеродных нанотрубок

@ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2024

метрологии для прецизионного измерения расстояний, в лазерно-информационных технологиях и телекоммуникациях для синхронизации и калибровки систем передачи, в астрофизике, в системах прецизионной спектроскопии и др. Одностенные уг.лероднв1е нанотрубки (ОУНТ) становятся всё более распространенным материалом, используемым в качестве насыщающихся поглотителей (НП) в инфракрасных лазерах УКИ благодаря множеству преимуществ, которые этот тип НП обеспечивает по сравнению с другими типами насыщающихся поглотителей. Однако из-за растущего применения и технических требований для получения сверхстабильных лазерных импульсов были выявлены некоторые недостатки УНТ, такие как джиттер (временной шум) в выходном излучении лазера, а также повышение порога насыщения синхронизации мод из-за относительно длинного времени релаксации по сравнению с другими искусственными НП (например, использующими нелинейную эволюцию поляризации - НЭП). В связи с описанной проблемой возникла идея данной работы по использованию упорядоченных углеродных нанотрубок в качестве насыщающихся поглотителей в волоконных лазерах УКИ. В предыдущих исследованиях упорядоченные УНТ продемонстрировали много преимуществ по сравнению с типичными неупорядоченными типами нанотрубок [1, 2]. Наиболее важным из этих преимуществ является возможность использования их в качестве поляризатора света, поскольку (как мы объясняем в данной работе) эти трубки демонстрируют поляризационную зависимость прохождения света от угла их ориентации относительно оптической оси в плоскости образца. Иначе говоря, взаимодействие между падающим поляризованным светом и упорядоченными УНТ можно контролировать, изменяя угол ориентации трубок. Эта особенность может быть использована в волоконных лазерах, где в случае идеального взаимодействия между лазерным излучением и трубками можно изменять глубину модуляции трубок путем изменения угла их ориентации относительно оптической оси. Этот метод может способствовать управлению характеристиками выходного излучения лазера, а также уменьшит ненасыщенные потери и нежелательное взаимодействие между лазерным излучением и трубками, что позволит понизить порог насыщения интенсивности при синхронизации мод и, таким образом, уменьшить мощность накачки, вызывающей повышенный интенсивностный и временной шум на выходе лазера.

Были изучены оптические свойства упорядоченных ОУНТ, синтезированных дуговым методом и упорядоченных методом вакуумной фильтрации [3]. На рис. 1 показаны изображения, полученные в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) для плёнок из неупорядоченных и упорядоченных нанотрубок.

Рис. 1. Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), типичных неупорядоченных папотрубок (а) и упорядоченных папотрубок (б)

Метод комбинационного рассеяния (КР) света является наиболее информативным при диагностике углеродных наноструктур. Типичный спектр комбинационного рассеяния (КР) света ОУНТ, синтезированных дуговым методом, был зарегистрирован на спектрометре HORIBA LabRAM HR с лазерным возбуждением с длиной волнв! 532нм (рис. 2). Обнаружено расщеплением G-моды на G+ и С--компоненты с КР сдвигами 1590 см-1 и 1577 см-1 соответственно, 44-мода (вблизи 1340 см-1) и радиалвная двжателвная мода (RBM) с КР сдвигом 175 см-1.

Рис. 2. Спектр КР света в ОУНТ

Рис. 3. Иллюстрация метода поляризованного КР света (а). Интенсивность G⁺-мoды ОУНТ в зависимости от угла ориентации оси иаиотрубки в параллельной ( V H) (б) и скрещенной (VV) (с) геометриях измерений. Пунктирные линии представляют теоретическую зависимость Iw = cos ⁴ (6'), Гун = cos²(0) sin²(6*)- а сплошные липни представлятот зависимость при 8 =13 градусов

Исследование методом поляризованного КР света было выполнено для того, чтобы продемонстрировать зависимость интенсивности рассеяния света от угла ориентации ОУНТ относительно оптической оси и определить полуширину углового распределения ОУНТ в плоскости пленки. Изменение интенсивности G-моды в зависимости от угла ориентации 6 показано на рис. 2 как для параллельной (VV), так и для перекрестной (VH) ориентации поляризаторов. Экспериментальные результаты согласуются с теоретической зависимостью интенсивности от ориентации образца I vv = cos⁴(0), Г ун = cos²(0) sin²(0) [4]. Здесь соотношение минимальной и максимальной интенсивностей G⁺-MOflbi составило 106 для VV и 9 для VH. Полуширина углового распределения 8 ОУНТ определялась с помощью следующих уравнений:

I vv = F(8, у) cos⁴(0 —

Гун = F(8, у) cos2(0 — у) sin2 (6 — ^)d^, где 0 - угол между осью нанотрубок и направлением поляризации, F(5, у?) - функция распределения, характеризуемая параметром 5. В приближении гауссова распределения, наилучшее соответствие экспериментальных результатов теоретическим расчетам приводит к опенке 5 около 13 градусов для VH.

• 3.    Численное моделирование волоконного эрбиевого лазера УКИ с пассивной синхронизацией мод на основе нелинейнного уравнения Шрёдингера (НУШ)

На рис. 4 представлен алгоритм моделирования кольцевого эрбиевого волоконного лазера с гибридной синхронизацией мод на основе естественного НП в виде пленки упорядоченных ОУНТ и искусственного НП в виде нелинейной эволюции поляризации (НЭП). Пленка ОУНТ находится на торце волоконного коннектора и включена в полностью волоконный резонатор лазера. Общая длина резонатора составляет 13,47 м, что приводит к частоте повторения импульсов 15, 95 МГц. Полная дисперсия групповой скорости (ДГС) внутри резонатора составляет -0, 0073 пс2. Лазер работает в режиме генерации растянутых импульсов (stretched pulses) в соответствии с близким к нулю значением ДГС. Выходная средняя мощность составляет 20, 7 мВт, длительность импульса 490 фс и ширина оптического спектра составляет 15 нм с центральной длиной волны 1570 нм. Стоит отметить, что данная схема лазера является оптимальной для исследования механизма работы упорядоченных ОУНТ; изолятор-поляризатор и контроллер поляризации, расположенные в схеме до плёнки ОУНТ, гарантируют поляризацию излучения, падающего на ОУНТ, и возможность его вращения, чтобы ось поляризации была параллельна оси ориентации трубок, что приводит к максимальному взаимодействию между лазерным излучением и упорядоченными ОУНТ, работающими в качестве НП.

Рис. 4. Алгоритм моделирования лазера: PC - контроллер поляризации, EDF - эрбиевое активное волокно, SWCNT - ОУНТ, ISO-PM - изолятор-поляризатор, WDM - мультиплексор с разделением по длине волны

Для исследования влияния ориентации упорядоченных ОУНТ на генерацию УКИ было проведено численное моделирование данного лазера с помощью обобщенного нелинейного уравнения Шрёдингера, которое было решено методом Фурье с расщеплением по физическим параметрам (SSFM) [5]:

ЗА      .^2 д2А   .    2     д(А)           a дй = — УdZ2 + п|А| А +TA(2,f) — 2A(z’t)’ где А - амплитуда, излучения, распространяющегося вдоль z. и время t. ^2 - дисперсия второго порядка, у - нелинейность, д(А) - усиление активного волокна и a - оптические потери в активных и пассивных волокнах. Воздействие естественного НП в виде ОУНТ было описано функцией пропускании во временной области, которая представлена следу- ющим уравнением:

dTwcNT^^E dt

-Т

1 1 - ^ASWCNT ^ _- Т ^{Е Е}^(() ) )

где Aswcnt ^_ глуби на модуляции, P_ab_s - энергия насыщения, т - время релаксации возбуждения в ОУ НТ. E_e ff (в) = Е0 • cos⁴ (0) = /|4|² dt • cos⁴ (в ) - эффективная пропущенная энергия поля, в зависимости от угла ориентации пленки в относительно оптической оси, которая перпендикулярна оси распространения в резонаторе. Данное уравнение было решено методом Fourth-Order Runge-Kutta, описанном в [6]. Решением данной функции является фильтр Гаусса во временной области (Т), который взаимодействует с амплитудой излучения (А), основанной на решении нелинейного уравнения Шрёденгера в каждом обходе резонатора с помощью следующего уравнения:

А = Т(0 ) • А.

Таким образом, при распространении входного сигнала с амплитудой А в резонаторе лазера, генерация ультракоротких импульсов происходила после достаточно большого обхода (1000 в данной работе) на основе эффекта фильтрации ОУ НТ и других эффектов, заключенных в уравнении НУШ (дисперсия, нелинейность, потери и усиление активной среды). Изменение в приводило к изменению фильтрации ОУНТ и генерации ультракоротких импульсов с различными характеристиками. Расчет проводился с в — 0, 30, 60 и 90 градусов соответственно. Генерируемое излучение выводилось из резонатора с помощью оптического ответвителя, описываемого с помощью следующего уравнения:

^A out —

⁽¹    ^ coupler    ® coupler ^)A,

где R_coupler — 0, 5 - коэффициент ответвителя и a_coupler — 0, 05 - внутренние потери в ответвителе. Выходную амплитуду излучения можно представить во временной и частотной области с помощью преобразования Фурье (рис. 5).

Рис. 5. Результаты численного моделирования оптических спектров (а) и распределения интенсивности по временной области (б) лазерного излучения при изменении угла ориентации нанотрубок

Численные результаты показывают возможность манипуляции характеристиками выходного излучения с помощью изменения угла ориентации ОУНТ. При изменении в в модели от 0 до 90 градусов длительность импульса увеличивалась с 500 фс до 589 фс, а ширина оптического спектра уменьшалась с 14, 8 нм до 9, 6 нм (рис. 5), что показывает возможность использования упорядоченных ОУНТ в качестве анизотропного поляризатора в лазерах ультракоротких импульсов.

Заключение

В данной работе был изготовлен насыщающийся поглотитель на основе упорядоченных ОУНТ. Уникальные свойства такой наноструктуры могут улучшить механизм пассивной синхронизации мод в лазерах ультракоротких импульсов за счет использования преимуществ насыщения и поляризационной зависимости подготовленной на ее основе тонкой пленки, в результате чего необходимость в использовании дополнительного поляризатора в лазерном резонаторе отпадает. Также с помощью данного насыщающегося поглотителя можно контролировать характеристики выходного излучения лазера (длительность импульса и ширину спектра излучения) с помощью изменения угла ориентации плёнки упорядоченных ОУНТ, расположенной внутри резонатора лазера.

Работа поддержана в рамках проекта РНФ 21-72-20050. Выравнивание нанотрубок путем контролируемой вакуумной фильтрации было осуществлено в Университете в г. Райс (США). Натсуми Коматсу и Юничиро Коно благодарят за поддержку Фонд Роберта Велша, в рамках гранта .УС-1509.