Особенности нелинейно-оптических преобразований фемтосекундных лазерных импульсов в микроструктурированных волокнах из стекла AR-Glass

Управление процессом эффективного преобразования спектра лазерного излучения в широком диапазоне частот является актуальной проблемой современной науки и техники благодаря возможности многочисленных приложений [1-4]. Одним из подходов к решению данной задачи является применение достижений современной нелинейной оптики, которые, в первую очередь, связаны с появлением источников лазерного излучения фемтосекундной длительности. При прохождении таких импульсов через оптические волноводы со сплошной сердцевиной в несколько микрон и микроструктурирован-ной (МС) оболочкой из полых капилляров [5], а также световодов конической формы с уменьшающимся диаметром поперечного сечения по длине [6], спектр может существенно трансформироваться. Этот эффект объясняется проявлением ряда нелинейно-оптических взаимодействий в МС-волокне, таких как фазовая самомодуляция, четырёхволновые и параметрические взаимодействия, генерация третьей гармоники, вынужденное комбинационное рассеяние [1]. Изменение формы импульса проявляется возникновением новых спектральных составляющих как в сторону больших, так и меньших длин волн. При сплошном уширении спектра возникает эффект генерации суперконтинуума (СК) – широкополосного когерентного излучения ультракороткой длительности [5]. Данное явление позволило совершить революционный прорыв в области высокоточной оптической метрологии и прецизионных оптических измерений [2].

Моделирование процесса прохождения фемтосекундных лазерны х импульсов через МС-волокна [7] показывает, что эффективность проявления нелинейных эффектов определяется оптическими характеристиками материала и геометрической структурой волокна, которые в комплексе и задают форму импульса на его выходе [8]. Таким образом, задача управления спектром лазерного излучения сводится к оптимальному подбору материала и структуры волокон, что позволяет изготавливать их с заданными свойствами.

В качестве материала МС-волокон преимущественно используется кварцевое стекло. Значение коэффициента нелинейности порядка у = 100 вт ^{- 1} км ^{- 1}. Нелинейный показатель преломления при этом n 2 = (2 + 3) - 10 ^{- 16} см ² / вт . С другой стороны, использование кварцевого стекла сопряжено с определёнными технологическими трудностями, а также дороговизной материала.

По своим оптическим характеристикам для решения этой задачи подходят свинцово-силикатные стёкла. Нелинейный показатель преломления ст ёкол этого типа составляет n ₂ = 4,1 - 10 ^{- 15} см ² / вт [9] на длине волны 1060 нм, т.е. более чем на порядок превышает нелинейность плавленого кварца. Однако склонность к образованию оксидных плёнок PbO и кристаллизации [10] ограничивает их широкое применение. Интерес представляют и халькогенидные стёкла [9]. Нелинейный показатель преломления для материалов этого класса может достигать значений порядка 10 ^{- 13} см ² / вт .

Существующие на данном этапе волокна согласно сложившейся в литературе терминологии различаются по топологии и структуре поперечного среза след ующим образом [7]:

• –    волокно со сплошной сердцевиной;

• –    волокно с полой сердцевиной (фотонно-кристаллическое);

• –    интегрированные волноводные каналы.

Соответственно применяются разные технологические подходы для изготовления МС-волокон. Классическим считается метод, основанный на стандартной волоконной технологии. Суть подхода состоит в монтаже требуемой структуры в нормальном для человека масштабе и дальнейшей перетяжке методом размягчённого стекла с целью пропорционального уменьшения элементов до требуемых размеров. Эта технология позволяет получать волокна из разных типов стёкол, разной конфигурации и видом укладки: гексагональной, квадратной, треугольной и т.д., разной топологии расположения дефектов. Эта технология широко используется для изготовления микрока-нальных пластин для приборов ночного видения, а также рентгенооптических элементов [11].

Другой способ изготовления МС-волокон состоит в том, что волокно заданного размера и профиля получается путём перетяжки предварительной формы из заготовки, полученной на этапе вытяжки из расплавленной стекломассы [12].

Сравнение технологий изготовления волокон показывает, что первый способ, несмотря на сложность, наиболее предпочтительный, так как позволяет гибко менять топологию и основные геометрические размеры микроструктур в широком диапазоне.

Таким образом, на основе анализа применяемых на данном этапе материалов и технологий изготовления МС-волокон, с нашей точки зрения, научны й и коммерческий интерес представляет проведение дальнейших исследований в направлении увеличения эффективности управления спектром фемтосекундных импульсов с их помощью.

В настоящей работе представлены результаты экспериментального характ ера по трансформации спектра фемтосекундного Ti:сапфирового лазера при прохождении через МС-волокна из стекла марки AR-Glass фирмы Schott в зависимости от геометрических размеров структуры поперечного среза волокон . МС-волокна изготовлены на технологическом комплексе п еретяжки стекла (разработан в отделе компьютерных рентгенооптических систем ИИПРУ Кабардино-Балкарского науч ного центра РАН).

Эксперимент

На первом этапе работы нами были изготовлены образцы МС-волокон по технологии структурированного стекла. Принципиально она не отличается от классической волоконной технологии и основана на принципе перетяжки размягчённого стекла. С одной стороны заготовка вводится в высокотемпера- турную печь, с другой стороны размягчённое стекло вытягивается с помощью высокоточной механики . Соотношение скорости ввода стекла в печку и скорости вытягивания определяет фактор перетяжки 10-20. Одна и та же заготовка циклично перетягивается несколько раз, и в итоге конечный фактор перетяжки может достигать десятков тысяч. Вначале заготовка монтируется механически и представляет собой сборку из разных типов стёкол разной конфигурации, с разным видом укладки, разной топологии расположения дефектов (сердцевины). Размеры наименьших элементов на начальном этапе составляют единицы миллиметров, в то время как после перетяжки могут достигать микронных размеров и меньше. Преимуществом данной технологии является возможность монтажа треб уемой структуры в удобном для человека масштабе, после чего методом перетяжки элементы уменьшаются до требуемых размеров. Уровень технологии дошёл до того, что размер минимального элемента в структуре достиг десятков нанометров.

В качестве исходного материала выбраны трубки и стержни из стекла марки AR-Glass фирмы «Schott» со след ующими физико-химическими параметрами:

• –    коэффициент линейного температурного расширения – 91;

• -    температура размягчения - 720 ° C ,

• –    коэффициент преломления (на длине волны 687,6 нм) – 1,514;

• –    химический состав – SiO 2 – 69%, B 2 O 3 – 1%, K 2 O – 3%, Al 2 O 3 – 4%, Na 2 O – 13%, BaO – 2%, CaO – 5%, MgO – 3%.

В качестве базового выбран профиль волокна из сплошной сердцевины, окружённой МС-оболочкой из 168 капилляров. Волокно было изготовлено по отработанному ранее технологическому маршруту поэтапной перетяжки до приемлемых размеров основных параметров волокна (диаметр сердцевины , диаметр воздушных каналов структурированной оболочки и шаг структуры – расстояния межд у центрами возд ушных каналов). На определённых этапах маршрута для повышения прочности образцов микроструктуры укладывались в трубку из стекла той же марки для очередной перетяжки с одновременной откачкой воздуха межд у микроструктурой и внутренней стороной трубки. В итоге были получены образцы МС-волокон с гексагональным профилем сечения и разных размеров параметров структуры. В табл. 1 приведены указанные выше геометрические параметры волокон.

Таблица 1. Размеры элементов микроструктур опытных образцов МС-волокна

n/n	Диаметр сердцевины, мкм	Диаметр воздушны х каналов, мкм	Шаг структуры, мкм
1	6	5,01	6,68
2	1,55	1,29	1,86
3	1,2	1	1,43

На рис. 1 представлено электронно-микроскопическое изображение поперечного среза образцов.

Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение поперечного среза МС-волокна

На след ующем этапе были проведены экспериментальные измерения спектров излучения на выходе волокон в соответствии с экспериментальной схемой (рис. 2).

Рис. 2. Схема экспериментальной установки:

1 – Ti:Sa лазер; 2 – изолятор Фарадея; 3, 4 – поворотные зеркала; 5, 7 – микрообъективы; 6 – МС-волокно;

8 – нейтральный фильтр; 9 – CCD-камера;

10 – спектрометр; 11 – автокоррелятор,

12 – спектрометр

Излучение фемтосекундного лазерного источника (1) после изо лято ра Фарад ея (2) по пад ает на поворо тно е полупрозрачное зеркало(3) и д елится на два пучка. Основно й пучок с по мощью зеркала (4) и микрообъ ектива (5) (Nikon 60×) фокусируется на то рец волокна (6), кото ры й закреплён на 3D-столике с микрометрической подач ей. Другой ко -нец закреплён на таком же столике, с помо щью кото рого излуч ение с выхода волокна позиционируется на микрообъектив (Nikon 40×) (7). После ослабления нейтральным фильтро м (8) пучок от полупрозрачного зеркала д елится опя ть на две части, кото рые соотв етственно попадают на приёмное окно спектрометра HR4000(Ocean Optics) (12) и объектив CCD-камеры EO-50-12 (Edmund Optics) (9). Вторая часть пучка после зеркала (3) попадает на приёмно е окно спектроанализатора USB2000+(10) и авто коррелято ра Femtometer (Eurolasers) (11). Вся схема собрана на в ибро изоля-цио нно м оптич еском столе ф ирмы Thorlabs. В качеств е источника ф емтосекундных импуль сов использовался Ti: сапф ировый лазер (Fusion, Femtolasers) с пассивной синхронизацией мод на основ е керров ско й линзы, генерирующий гауссо вы им- п уль сы длитель ностью 20 фс с ч астото й следо ва-ния 75 МГц. Центральная длина волны генерации лазера 805 нм с полосой (FWHM) порядка 50 нм. Диаметр пучка не более 2 мм. Средняя мощность излучения на входе волокна составляла 700 мВт при энергии импульса 9,5 нДж. С пектр импульса исходного излучения лазера и автокорреляционная функция представлены на рис. 3.

Рис. 3. Спектр (а) и автокорреляционная функция (б) интенсивности излучения Ti:Sapphire лазера

Спектр излучения на выходе волокна регистрировался анализатором HR4000 (12) c рабочим диапазоном 200-1100 нм, а пространственное распределение излучения – CCD-камерой (9).

Результаты и обсуждение

Спектры на выходе волокон были измерены в положения х, когда входное излучение фокусировалось в различ ные точки поперечного сечения МС-волокон. Спектры рис. 4 соответствуют положению, когда пучок попадает в сердцевину, в то время как спектр рис. 5 снят при фокусировке в один из боковых микроканалов волокна 1.

Анализ экспериментальных кривых спектрального распределения излучения показывает, что нелинейно-оптическая трансформация спектра импуль сов фемтосекундного лазера наблюдается уже при диаметре сердцевины 6 мкм и проявля ет-ся в том, что спектр исходного импуль са сдв ига-ется в антистоксовую (высокочастотную) область . Сравнение спектров рис. 4 показывает, что при уменьшении диаметра сердцевины антистоксов ая составляющая спектра сдв игается от инф ракрас-ной в в идимую об ласть. По спектру рис. 5 мо жно сказать, что в случ ае фокусировки в ходного излучения в один из боков ых каналов МС-оболочки, наряд у с о снов ной линией генерации источника в сп ектре, появля ется ярко выраженная антисто ксо -вая компонента с центральной длино й волны по -рядка 612 нм и интенсивностью , соизмеримой с таковой основно й линии. Экспериментальные спектры на выходе исследов анных воло кон укладываются в диапазон 550-950 нм, что в 7-8 раз шире нач ального импуль са накач ки.

Теоретические и экспериментальные исследования [5-8] показыв ают, что наиболее широкий спектр (от одной и более октавы) СК получ ается при вв едении затравочного импульса с длиной волны близкой к длине волны нулевой дисперсии нелинейной среды .

О б)

200 400 600 800 1000

Длина волны, нм

О в)

Интенсивность, отн.ед.

200 400 600  800 1000

Длина волны, им

Рис. 4. Спектры излучения на выходе волокна при фокусировке входного излучения в сердцевину: «1» – (а), «2» – (б), «3» – (в)

Рис. 5. Спектр излучения на выходе волокна «3» при фокусировке входного излучения в боковой канал

В случае распространения импульса в области нормальной дисперсии волновода уширение спектра сопровождается существенным нелинейным рас- плыванием импульса. Расплывание импульса вызывается ФСМ в нелинейной среде и осуществляется за счёт генерации новых световых колебаний. Возникающее при этом спектральное уширение импульса оценивается след ующим образом [7]:

ω I

∆ω = n2L , cτ где ω – ц ентраль ная ч астот а импульса накачки, с - скорость света, n2 – нелинейный показатель преломления среды, L – расстояние, которое проходит импульс нак ачки в среде, I0 – пиковая интенсивность светового импульса, τ – длительность импульса.

Спектр импульса уш иряется неоднородно, сильнее в антистоксовую область. Из-за расплывания импульса его интенсивность уменьшается, нелинейные эффекты ослабляются и на некотором расстоянии в волноводе спектральная плотность стабилизируется. При распространении в волноводах импульсов со спектром в области нулевой или малой аномальной дисперсии происходит генерация СК с шириной, вдвое и более превышающей начальную центральную частоту [5]. Очевидно, исходя из вышеприведённых рассуждений, что импульсы накачки, заводимые в МС-волокна в наших экспериментах, преимущественно находятся в области нормальной групповой дисперсии.

Межд у тем, повыш ения эффективности нелинейно-оптических процессов можно добиться за счёт повыш ения степени локализации поля в сердцевине во локна путём уменьшения её диаметра и за счёт увеличения разности показателя преломления сердцевины и эффективного показат еля преломления МС -оболочки. Спектры на рис. 4 показывают, что уменьшение одного диаметра сердцевины не способствует в достаточной степени повышению степени локализации поля в ней. Наряду с уменьшением диаметра сердцевины, необходимо увеличить содержание возд уха в МС-оболочке путём ув еличения диаметра капилляров при укладке заготовки. С д ругой стороны, эффективность преобразования фемтосекундных лазерных импуль сов можно увеличить, используя в качестве капилляров для МС-оболочки материал с заведомо меньшим показателем преломления по сравнению с сердцевиной, создав тем самым мультикомпонентые МС-волокна.

Известно, что при распространении фемто секундных лазерных импульсов в МС-волокне не-линейно-оптич еская трансформация спектра со -провождается изменением модового состава первичного излучения. Подтвержд ение это му рис. 6, где изображены характерные модовы е структуры излучения, генерируемого в одно м из МС-волоко н. Как вид но на рис. 6, при небольшом изменении начальных условий возбужд ения во лно -водной моды наблюдается преобразование коль- цево й моды (рис. 6а) вид имо й части спектра в двудольную моду (рис. 6б). Данное обстоятельство позволяет выделить (путём спектральной фильтрации) изолированные пространственные моды излуч ения для различных спектральных областей. Однако критерием оценки качества пространственных мод, пригодности излучения, генерируемого в МС-волокнах для измерений, выполняемых по схеме накачка-зондирование, служит эффективность дальнейшего преобразования частотных компонент в нелинейной сред е . В качестве такой нелинейной среды может быть использован, в частности, нелинейный кристалл LBO.

Рис. 6. Характерная модовая структура излучения на выходе из МС-волокна (а), двудольная мода (б)

Выводы

Изготовлены о бразцы МС-волокон по технологии перетяжки размягчённого стекла марки AR-Glass фирмы «Schott». Проведена качественная оценка эффективности нелинейно-оптических преобразований лазерных импульсов длительности 20 фс, энергии 9,5 нДж Тi:сапфирового лазера на выходе данных волокон в зависимости от геометрических параметров структуры поперечного среза. Показано , что нелинейно-оптические преобразования проявляются в виде уширения начального спектра импульса в 7-8 раз. Анализ спектров свидетельствует о генерации новых изолированных частотных компонент, которые сопровождаются переносом значительной части энергии импульсов накачки из

ИК-области (805 нм) в видимую часть (612 нм). На основе полученных экспериментальных данных сделан вывод о том, что для повышения эффективности нелинейно-оптических преобразований в выбранном материале и топологии структуры, наряду с уменьшением диаметр а сердцевины, необходимо увеличить содержание воздуха в МС-оболочке волокна путём увеличения диаметра канала капилляров. Другой путь повышения эффективности, как нам представляется, это использование для МС-оболочки материала с заведомо меньшим показателем преломления на длине волны накачки по сравнению с сердцевиной. Таким образом создают муль-тикомпонентые МС-волокна. Оба пути в результате должны привести к росту степени локализации излучения в сердцевине волокна, а значит, эффективности нелинейно-оптических преобразований. Анализ модового состава ф емто секундных импульсов излучения на выходе волокна показал , что , наряду с основной модой, наблюдаются и высшие волноводные моды.

Полученные результаты в целом свидетельствуют о том, что выбранный нами в работе материал стекла марки AR-Glass может представлять интерес , но для окончательных выводов необходимо продолжить экспериментальные исследования по предложенным направлениям.

Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства науки и образования КБР, региональный проект: 09-02-96509-p-юг.