Siaurajuostis atsitiktinis bismuto turinčio aktyviojo pluošto pluoštas | mokslinės ataskaitos

Siaurajuostis atsitiktinis bismuto turinčio aktyviojo pluošto pluoštas | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Pluošto lazeriai
  • Fluorescencinė spektroskopija

Anotacija

Atsitiktinių skaidulų lazeriai, veikiantys naudojant Rayleigh sklaidos (RS) grįžtamąjį ryšį, dabar sulaukia didžiulio dėmesio, nes sukuria aukštos kokybės vienkryptį lazerio spindulį, kurio efektyvumas ir našumas yra palyginami ir netgi viršija pluošto lazerių su įprastomis ertmėmis spindulius. Kaip ir kiti atsitiktiniai lazeriai, tiek amplifikacija, tiek atsitiktinis išsklaidymas yra paskirstomi išilgai lazerio terpės, kurią paprastai vaizduoja kilometrų ilgio pasyvus pluoštas su Ramano sustiprinimu. Tačiau vargu ar įmanoma panaudoti įprastų aktyviųjų pluoštų normalųjį padidėjimą, nes jie paprastai yra trumpi, o RS yra nereikšmingi. Čia pateikiame pranešimą apie pirmąjį atsitiktinės atomazgos, gautos naudojant RS, demonstravimą aktyviu pluoštu. Tai tapo įmanoma įdiegus naują dvipusį pluoštą, padidintą amplifikacijos ilgį ir RS koeficientą. Realizuotas dviejų pluoštų atsitiktinis lazeris generuoja konkrečioje spektrinėje srityje (1, 42 μm), pasižymėdamas unikaliomis savybėmis, ypač daug siauresniu linijos plotis nei įprastose to paties ilgio ertmėse, suderinus su sukurta teorija. Tokio tipo lazeriai yra labai pritaikomi, nes dvipusiai pluoštai, turintys skirtingą pagrindinę kompoziciją, gali veikti lazeriu ypač plačiame 1, 15–1, 78 μm bangų ilgių diapazone.

Įvadas

Šviesos sąveikos su stiprinančiomis netvarkingomis optinėmis terpėmis fizika sulaukia didelio susidomėjimo, nes ji žavi tarpdisciplinine sritimi, jungiančia daugelį mokslo šakų ir generuojančia naujus esminės ir taikomosios reikšmės rezultatus. Atsitiktiniai lazeriai (RL), kuriuose įprasta optinė ertmė yra pakeista daugybiniu išsibarstymo grįžtamu ryšiu netvarkingoje stiprinimo terpėje, dabar atspindi sparčiai augančią šviesos šaltinių klasę, apžvalgą žr. 1, 2, 3 . Ankstyvuosiuose darbuose buvo tiriamos tradicinės aktyviosios terpės, tokios kaip lazerio kristalai ar puslaidininkiai, perdirbti į miltelius ar granules. Naujausi pokyčiai šioje srityje yra orientuoti į naujų tipų žiniasklaidos pavyzdžių įsitvirtinimą. Visų pirma tiriamas ne tik normalus aktyviųjų terpių padidėjimas, bet ir Ramano amplifikacija pasyviose terpėse 4, 5 . Kaip parodyta 5 punkte, didelio galingumo nerezonansinis siurbimas įgalina „Raman“ lakuoti neaktyviose atsitiktinėse medžiagose (tokiose kaip BaSO 4 ), todėl atsitiktinis dažymas yra įmanomas beveik bet kuriuose „baltuose“ milteliuose, taigi yra naujas drumstumo diagnostikos įrankis. / granuliuotos terpės, turinčios didelį potencialą nuotoliniame stebėjime ir farmakologijoje.

Kita svarbi kryptis yra naujų, RL pagrindu sukurtų, šviesos šaltinių, pvz., Mažo dermingumo šaltinių, tinkamų viso lauko mikroskopijai be raukšlių ar skaitmeninių šviesos projektorių sistemų, kūrimas 6 . Dėl šio ir panašių programų konkurencingas šviesos šaltinio veikimas tampa iššūkiu. Šia prasme pluoštiniai atsitiktiniai „Raman“ lazeriai 4, 7 yra vieni iš perspektyvių kandidatų, nes jų išėjimo charakteristikos yra pranašesnės už kitų tipų atsitiktinius lazerius, o kai kuriais atvejais ir įprastus lazerius. Pluošto bangolaidžio struktūra yra beveik vienmatė, formuojanti aukštos kokybės išėjimo pluoštą (vienas skersinis režimas su Gauso pluošto profiliu) norima kryptimi, kontroliuojama per pluošto lenkimą. Atsitiktiniam lazeriui tinka net įprastiniai pasyvieji telekomunikacijų pluoštai. Kadangi pluošto medžiaga (silicio dioksido stiklas) yra labai skaidri radiacijai, ypač telekomunikacijų spektriniame lange netoli 1, 55 μm, stiprinimo ir grįžtamojo ryšio mechanizmai čia visiškai skiriasi nuo kitų atsitiktinių lazerių. Pluošto padidėjimą skatina neelastingai stimuliuojamas siurblio šviesos Ramano sklaidymas (SRS), vibruojant SiO 2 molekules stiklinėje grotelėje, tuo tarpu grįžtamąjį ryšį suteikia SRS sukeltos Stokso bangos elastinis Rayleigh sklidimas (RS) submikrone. stiklo struktūros nelygumai, kai maža dalis (~ 10–3 ) išsklaidytos šviesos grįžta į pluoštą. Nors grįžtamasis ryšys yra silpnas, pakanka paslėpti kilometrų ilgio pasyvųjį pluoštą, atsižvelgiant į tai, kad vientisas Ramano padidėjimas (proporcingas pluošto ilgiui ir siurblio galiai) kompensuoja nuostolius važiuojant atgal.

Pluoštiniais atsitiktiniais Ramano lazeriais šiuo metu demonstruojamas didžiausias optinis siurblio-Stokko bangos konvertavimo efektyvumas, viršijantis 87%, kai vato lygio galia yra 8, o maksimali išėjimo pluošto galia siekia 200 W 9 . Tokie atsitiktiniai Ramano pluošto lazeriai (RRFL) sukuria beveik nepertraukiamą spektrą, kurio režimas nėra laisvas, o Schawlow-Townes apibrėžta forma susiaurėja ties slenksčiu ir netiesinė plečiasi esant didelei galiai 7, 10 . Pluošto pagrindu pagamintus spektrinius filtrus galima palyginti paprastai įmontuoti į mažos galios RRFL dalis, užtikrinant plokščią sureguliavimą visame Ramano stiprinimo spektriniame diapazone> 35 nm 11, taip pat suderinant galios daugiabangių bangų ilgį 12 ir jų eiliškumą. - matricos spektrinio pločio sumažinimas, apibrėžtas filtro charakteristikomis 13 . Taip pat kuriamos kitos RRFL savybės, gerinančios jų eksploatacines savybes, pvz., Išėjimo pluošto 8 tiesinė poliarizacija, tiesioginis siurbimas didelės galios LD 14, trumpo impulso generavimas plačiu spektriniu ir laiko nustatymu 15, kaskadinė aukštos eilės Stokso bangų generacija 16., 17 ir kt. (Apžvalgą žr. 7 nuorodoje). Taip pat tiriamos hibridinės schemos, kuriose amplifikuojamas trumpas aktyvusis pluoštas, išskaidytas retųjų žemių elementais (Er, Yb), ir RS grįžtamasis ryšys atskirame ilgame pasyviame pluošte 18, 19, tačiau jie artimesni įprastiems lazeriams nei atsitiktiniams. Vienintelis bendras atsitiktinių lazerių bruožas yra nesusijęs spektras, kuriame nėra konkurencijos režimų, dėl kurių, pvz., Susidaro plokščia reguliavimo kreivė, kaip ir atsitiktinėse RFL 11 . Kitas būdas atsitiktiniams aktyviųjų pluoštų likučiams yra įterpti į jį atsitiktinai parinktą labai atspindintį pluošto Bragg grotelę 20, tačiau jo charakteristikos yra artimesnės įprastiniam paskirstyto grįžtamojo ryšio lazeriui, sukuriančiam vieno dažnio spinduliuotę.

Pateikiame pranešimą apie pirmąjį atsitiktinio lazerio, pagrįsto aktyviu pluoštu, demonstravimą su RS atsiliepimais. Tai tapo įmanoma įgyvendinus naują Bismuto pavidalo pluoštą, padidintą amplifikacijos ilgį ir RS koeficientą. Dviejų pluoštų pluošto atsitiktinis lazeris generuoja konkrečioje spektrinėje srityje (1, 42 μm), pasižymėdamas unikaliomis savybėmis, tokiomis kaip ypač siauras juostos plotis, palyginti su įprasto ertmės dviejų pluoštų lazeriu, kurio ilgis ir išėjimo galia yra tokie patys. Teorija, apibūdinanti spektro išplėtimą įvairių tipų pluošto lazeriuose (su įprasta linijine ertme arba atsitiktinai paskirstytu grįžtamuoju ryšiu), paprastai paaiškina esminį jų spektro išplėtimo skirtumą, kurį sukelia savaiminės fazės moduliacija. Parodyta, kad daug silpnesnis pluošto lazerio išplėtimas atsitiktinai paskirstytu grįžtamuoju ryšiu tuo pačiu išvesties galios laipsniu yra pagrįstas daug mažesne netiesine fazės įsibrovimu, kurį sukelia iš esmės skirtingas išilginis galios pasiskirstymas.

Rezultatai

Eksperimentas

Atsitiktinis lazeris, kurio pagrindą sudaro aktyvusis dvipusis pluoštas (BDF), schematiškai parodytas 1 pav. BDF (pagamintas FORC 21 ), kurio ilgis yra 150 m, naudojamas kaip stiprinanti / sklaidanti terpė. Matuojamas pluošto atspindys, atsirandantis dėl RS, kaip 3, 8 · 10 –6 ; nepaisant to, atrodo, kad pakanka aukšto aktyviojo pluošto padidėjimo koeficiento, esant 1420 nm bangos ilgiui, kad būtų galima tęsti net ir tokią savaitinę grįžtamąją informaciją. Pelnas pasiekiamas perpumpuojant pluoštą per 1310/1420 bangos ilgio dalijimąsi multiplekserį (WDM) namuose pagamintu „Raman“ pluošto lazeriu, kurio maksimali išėjimo galia yra 4, 4 W, esant 1310 nm, atitinkančiam fosfo silikatinio pluošto 1 -ąjį Stokso komponentą. pumpuojamas 1115 nm bangos ilgio Yb-legiruoto pluošto lazeriu 22 . Siurblio spinduliuotės bangos ilgis yra Bismuto aktyviųjų centrų absorbcijos juostoje silicio dioksido pagrindu pagamintuose pluoštuose 21 . Išvestinis BDF galas yra išpjaustomas ~ 17 ° kampu, kad būtų išvengta Fresnelio atspindžio. Matuojamas, kad atspindžio koeficientas išėjimo gale būtų –65 dB, taigi grįžtamąjį ryšį ertmėje daugiausia teikia atsitiktinis Rayleigh sklaida, paskirstyta išilgai pluošto. Kitame BDF gale įdedama labai atspindinti pluošto Braggo grotelė (FBG), kad būtų sudaryta pusiau atvira ertmė su spektriniu filtru kiekviename maršrute. Eksperimentuose tiriami du FBG su Gauso atspindžio spektru esant 1420 nm: plačiajuosčio ryšio FBG su atspindžio juostos pločiu (FWHM) 1, 88 nm ir siaurajuosčio FBG su 0, 28 nm FWHM. Jų atspindžio koeficientai yra atitinkamai 50% ir 70%.

Image

1310 nm lazeriniai siurbliai per WDM dvipusį pluoštą (BDF), besitęsiantį FBG suformuotoje pusiau atviroje ertmėje, ir atsitiktinis paskirstytas grįžtamasis ryšys per Rayleigh sklaidą (RS) kampu (17 °) skaldytu pluoštu. Palyginamiesiems tyrimams buvo pridėta pasyviojo P 2 O 5 skiedinio pluošto (PF) ir 4% atspindžio nuo normaliai suskaidyto galo, sudarančio tiesinę ertmę.

Visas dydis

Pirmieji eksperimentai su 150 m BDF parodė, kad jo atsitiktinio nusileidimo riba yra viršyta jau esant 0, 5 W siurblio galiai (žr. 2a pav.), Tačiau sukurtas spektras yra nestabilus. Nestabilumas pasireiškia siauros juostos dvigubos smailės struktūra, atsitiktinai atsirandančia aplink 1420, 7 nm centrinės bangos ilgį (žr. 2b pav.). Dažnių tarpai tarp smailių yra pastovūs ir sudaro ~ 12 GHz, o tai atitinka Brillouin poslinkį pluošte. Gerai žinoma, kad kooperatinis Rayleigh'io-Brillouin'o išsibarstymas 23 yra pagrindinė tokio nestabilumo priežastis RS pagrindu veikiančiuose atsitiktinių skaidulų lazeriuose, veikiančiuose netoli slenksčio, kuriuos galima užgniaužti kur kas aukščiau generavimo slenksčio 4, 7 . Nepaisant to, padidėjęs siurblio galingumas mūsų atveju nepadėjo stabilizuoti dvipusio pluošto lazerio spektro, o jo išėjimo galia išauga beveik tiesiškai ir pasiekė 2, 8 W esant maksimaliam siurbimui (atitinkamas efektyvumas siekia 64%). Tuo metu sukurta Bi susijusi linija, esanti 1420 nm, gerai atsiskiria nuo nereikšmingai mažos, su SiO 2 susijusios Ramano linijos, esant ~ 1400 nm.

Image

Išvesties galia kaip siurblio galia, atsižvelgiant į skirtingas ertmių konfigūracijas, rodyklės rodo stabilumo ribas ( a ). Atitinkami optiniai ( b ) ir RF ( c ) spektrai virš ir žemiau stabilumo slenksčio. Rezultatai pateikiami schemoms su siaurajuoste FBG (FWHM = 0, 28 nm), panašios priklausomybės yra ir schemoms su plačiajuosčio FBG (FWHM = 1, 88 nm).

Visas dydis

Nustatyta, kad sukurto spektro stabilizavimas pasiekiamas prailginant ertmes pasyviu pluoštu (pavyzdžiui, SMF-28e), dedamu prieš dvipusį aktyvųjį pluoštą (ty FBG + PF + BDF). Stabilumo slenkstis mažėja didėjant bendram ertmės ilgiui. Šis faktas gali būti susijęs su Brillouin išsibarstymo slopinimu dėl susidariusių smailių spektrinio išplėtimo ilgesniame pluošte. Vienodo ilgio pasyviems pluoštams žemiausia riba yra fosfosilikato (P 2 O 5 -adopio silicio dioksido) pluoštui, tikriausiai dėl skirtingo Brillouin poslinkio, atsižvelgiant į tai, kad panaudotų pasyviųjų pluoštų Rayleigh sklaidos koeficientai buvo maždaug vienodi. Tolesniuose eksperimentuose į lazerio stabilizavimo schemą buvo įdėta 800 m fosfosilikatinio pluošto (PF) ritė (žr. 1 pav.). Išbandžius schemą, kurioje aktyvūs ir pasyvūs pluoštai išdėstomi priešinga tvarka (ty FBG + BDF + PF), nustatyta, kad šiuo atveju nėra stabilios lazerio generacijos.

Matuojamas visų pluoštų bendras atspindys, atsirandantis dėl RS, kai lazerio bangos ilgis 1420 nm yra 10–5 . Reikia pažymėti, kad net esant maksimaliam siurbimui, jei nėra BDF (ty FBG + PF), bangavimas esant 1420 nm nėra. Kombinuotoje PF-BDF pusiau atviroje ertmėje nestabilumas stebimas žemiau 2 W (žr. Rodyklės žymes 2a pav.), Pasireiškiantis panašiai kaip schema be PF: Brillouin spektro smailės (2b pav.) Lydi didelėmis - maksimalūs intensyvumo pulsavimai, išryškėjus išilginio režimo struktūrai radijo dažnio (RF) spektre (2c pav.). Intensyvumo dinamika ir RF spektrai buvo analizuojami 2, 5 GHz juostos pločio osciloskopu (LeCroy WavePro725ZiA su spektro analizatoriaus galimybe). Stabilioje srityje sukurtas spektras tampa lygus ir plečiamas (2b pav., Vientisa kreivė), intensyvumo dinamika tampa beveik nepertraukiama ir dingsta režimo struktūra RF spektre (2c pav.). Paskutinis faktas patvirtina pagrindinį RS vaidmenį tvarsčio procese, kuris tampa dominuojantis atspindžio atžvilgiu nuo kampuoto suskaidyto pluošto galo pailgoje ertmėje, o trumpoje BDF ertmėje galinis atspindys gali turėti tam tikrą įtaką. Remdamiesi gautais duomenimis, stabilumo slenkstis 150 m BDF yra ~ 10 W.

Maksimali išėjimo galia schemoje naudojant PF yra šiek tiek (~ 20%) mažesnė nei grynojo BDF atsitiktinio lazerio galia, tačiau ji išlieka didesnė kaip 2 W, kai siurbiama 4, 4 W, o konvertavimo efektyvumas yra apie 50%. Mažesnis efektyvumas paaiškinamas PF sukeliamais papildomais nuostoliais. Palyginimui su tradiciniais lazeriais taip pat ištirtos dvi BDF lazerių schemos (su PF ir be jo) su įprasta ertme, pagrįstos išvestiniu reflektoriumi. Šiuo tikslu kampu suskaidytas pluošto galas buvo pakeistas įprastai supjaustytu, kurio Fresnel atspindys buvo ~ 4% (1 pav.). Tokiu atveju išėjimo galia dar sumažėja 20% (2a pav.), Palyginti su atitinkama RS pagrįsta schema. Taigi RS pagrindu sukurta PF-BDF schema turi panašias išėjimo charakteristikas kaip 4% ertmė tik su BDF, žr. 2a pav. Nepaisant šio panašumo, jų išvesties spektrai yra žymiai skirtingi. Generavimo spektrai esant maksimaliai siurblio galiai atsitiktinėms ir tradicinėms lazerių schemoms su plačiajuosčio ir siauros juostos FBG yra pateikti atitinkamai 3a, b paveiksluose. Palyginimas rodo, kad mažiausias tiesinis plotis gaunamas PF-BDF schemai su RS, o plačiausias linijos plotis atitinka tą pačią schemą su 4% išėjimo reflektoriumi. Visose schemose linijos pralaidumas yra proporcingas FBG pralaidumui. Duomenys rodo, kad atsitiktinis lazeris plečiasi žymiai silpniau, palyginti su tradicinėmis BDF lazerių konfigūracijomis (su PF ir be jo). Siaurajuosčio FBG atveju atsitiktinis lazerio linijos plotis yra mažesnis kaip 0, 15 nm, kai visos galios yra 2 kartus mažesnės nei panašios konfigūracijos tradicinio lazerio (žr. 4 pav.). Plačiajuosčio ryšio FBG santykinis skirtumas yra dar didesnis. Be to, atsitiktinio lazerio spektras yra beveik ištisinis, o tradiciniame lazeryje jį sudaro diskretiniai režimai.

Image

Generavimo spektrai stabilioms lazerių schemoms su plačiajuosčio ( a ) ir siauro dažnio ( b ) FBG, kai didžiausia siurblio galia yra 4, 4 W (išėjimo galia nurodoma kiekvienai schemai). Taip pat parodyti, kad siurblio spinduliuotės spektrai yra susiję su viršutine ašimi.

Visas dydis

Image

Lakiųjų linijų pločio (FWHM) galios raida stabilioms lazerių schemoms su plačiajuosčio ( a ) ir siauro dažnio ( b ) FBG.

Visas dydis

Paaiškinti nepaprastai silpną galios išplėtimą atsitiktinio pluošto lazerio schemoje, mes sukūrėme šį analitinį modelį.

Analitinis modelis

Pagrindinis spektrinio išplėtimo mechanizmas pluošto lazeriuose su nereikšminga dispersija yra apibrėžtas savaiminės fazės moduliacija (SPM) 24 . Mūsų atveju lazeris sukuria beveik nulinės dispersijos bangos ilgį (1430 nm PF ir 1480 nm BDF). Dispersijos parametras D, esant 1420 nm, yra atitinkamai –1, 2 ps / nm · km ir –3, 5 ps / nm · km atitinkamai PF ir BDF, taigi dispersijos įtakos negalima atmesti, ty taikoma nulinė dispersijos prielaida 24 . Kadangi siurblio bangos ilgis (1310 nm) nėra pakankamai toli, mes taip pat turime atsižvelgti į siurblio sukeltos kryžminės fazės moduliacijos (XPM) poveikį. Sukurtų spektrų vidutinis kvadratinis (RMS) plotis

Image

yra apibrėžta išraiška (žr. skyrių „Metodas“)

Image

kur Δ RMS yra FBG spektrų RMS plotis, ϕ SPM ir ϕ XPM yra atitinkamai SPM ir XPM sukeltos fazės poslinkiai. Netiesinė SPM fazė ertmėje, kurią sudaro pasyvūs ir aktyvūs pluoštai, kurių ilgis yra atitinkamai L p ir L a (1 pav.), Ir veidrodžiai, kurių atspindžio koeficientas R1 ≪ 1 ir R 2 ~ 1, yra tokios formos (žr. Skyriaus metodą).

Image

kur γ SPM ≈ 2, 5 W −1 km −1 yra Kero koeficientas vienmodžiui pluoštui esant 1, 42 μm,

Image
yra išėjimo galia, gaunama iš silpno atspindžio (
Image
≪ 1) išėjimo veidrodis, L eff yra faktinis ertmės ilgis. Faktinis eksperimentinių schemų ilgis yra 200, 50 ir 12 metrų: PF-BDF su taškiniu atšvaitu ( R 1 = 4%), BDF su R 1 = 4% ir PF-BDF su RS (10 - 5 ), atitinkamai. Netiesinė XPM fazė yra

Image

kur γ XPM = 2. γ SPM ≈ 5, 0 W −1 km −1 yra Kermo koeficientas XPM procesui, P yra siurblio galia, δβ ≈ 0, 8 ps / m yra siurblio ir signalo bangų dispersinis mažėjimo koeficientas. .

Duomenys, pateikti 4a, b paveiksluose, yra pakartotinai pavaizduoti 5 pav. Normalizuotuose vienetuose: spektrinis linijos plotis, susijęs su FBG pralaidumu, ir išėjimo galia, sumažinta iki vientisos netiesinės fazės (2). Kadangi atspindėtųjų koeficientas R1 yra skirtingas tiriamose konfigūracijose, skiriasi ir netiesinė fazė. Paprastumo dėlei darome prielaidą, kad RS paskirstytasis grįžtamasis ryšys gali būti modeliuojamas kaip efektyvusis taškinis atšvaitas, kurio atspindėjimas atitinka integruotą „Rayleigh“ atgalinį sklidimą ( R 1 = 10 –5 ), esantį ertmės gale. Iš 5 pav. Matyti, kad normalizuoti skirtingų schemų, taip pat skirtingų FBG duomenys yra gerai suderinami tarpusavyje, išskyrus schemą su siauros juostos FBG ir RS. Reikėtų pažymėti, kad schemes SPM ≫ ϕ XPM šioms schemoms, todėl spektrinis išplėtimas turi linijinį pobūdį

Image
apibrėžta SPM efektu. Eksperimentiniai duomenys netiesinėje fazėje žemiau 0, 5 rodo tiesinę priklausomybę, kurios nuolydis yra apie 2, o tai gerai atitinka teorinę vertę. Nukrypimai nuo tiesinės priklausomybės yra siejami su FBG nustatytais apribojimais, kai kartos linijos pralaidumas artėja prie FBG pralaidumo, ir nukrypimais nuo Gauso statistikos apie lazerio spinduliuotę esant didelėms netiesiškumoms, kai išraiška (1) tampa neteisinga.

Image

Taip pat pridedami duomenys apie Yb disperguoto pluošto lazerį nuo 25. Pateikiamos teorinės kreivės SPM (vientisa linija) ir SPM derinant su XPM siauros juostos FBG (punktyrine linija) kreivėmis.

Visas dydis

Siaurosios juostos FBG ir RS atveju XPM efektas tampa svarbus,

Image
, todėl spektrinis išplėtimas turi skirtingą pobūdį. 5 paveiksle parodytas geras eksperimentinių duomenų suderinamumas su teorine kreive, apimančia XPM, kuri apskaičiuojama iš ekv (1, 2, 3), atsižvelgiant išmatuoto lazerio ir siurblio galios santykį (2a pav.). Tai reiškia, kad netiesinė SPM fazė (2) schemai su RS ir siauros juostos grotelėmis yra tokia maža, kad XPM poveikis smarkiai prisideda prie išvesties spektro formavimo. Galima įvertinti kritinį FBG atspindžio spektro plotį, kuriame XPM fazė tampa panaši į RS pagrįsto lazerio SPM fazę, kaip
Image
≈ 0, 15 ps −1, o tai atitinka FBG, kurio plotis ~ 0, 37 nm. Tai reiškia, kad siauresnėms FBG dominuoja XPM procesas. Schemoms su taškiniu reflektoriumi efektyvusis ertmės ilgis yra didesnis, o XPM indėlis bus pastebimas, kai FBG plotis mažesnis nei 0, 1 nm.

Diskusija

Atlikta analizė parodė, kad gana skirtingos galios išplėtimo kreivės (linijos plotis ir galia), gautos skirtingoms ertmių konfigūracijoms (4 pav.), Susijungia, kai iš naujo nubrėžti normalizuoti linijų pločio (susijusio su FBG pralaidumu) ir galios (integruoti per) kintamieji. ertmės ilgis su netiesiniu koeficientu, tokiu būdu užtikrinant netiesinės fazės įsiskverbimą), žr. 5 pav. Taigi pagrindinis praplečiamasis efektas yra savaiminės fazės moduliacija, kuriai būdingas normalizuoto linijinio pločio tiesinis augimas, palyginti su netiesine faze, kuri savo ruožtu yra proporcinga išėjimo galiai. Tačiau proporcingumo koeficientas atsitiktinės ir normalios ertmės konfigūracijose yra gana skirtingas dėl gana skirtingo išilginio galios pasiskirstymo (išsamiau žr. Skyrių „Metodai“). Lazeriui su atsitiktinai paskirstytu grįžtamuoju ryšiu pagrindinė galios dalis yra sukoncentruota šalia išėjimo galo, tokiu būdu gaunant mažiausią netiesinę fazę esant didžiausiai išėjimo galiai.

Siurblio spinduliuotės sukeltas XPM poveikis taip pat šiek tiek prisideda prie linijos pločio, nes mažas grupės greičio pasiskirstymas tarp siurblio ir Stokso bangų, tačiau jis yra nereikšmingai mažas schemose su plačiajuosčio ryšio FBG, kuriam būdingas platus SPM sukeltas linijos plotis ( absoliučios vertės) ir gana silpnos schemose su siaurajuoste FBG ir 4% reflektoriumi. Tai tampa reikšminga tik schemoje su siauros juostos FBG ir ypač silpnu RS grįžtamuoju ryšiu ( 10–5 ), pridedant specifinį netiesinį komponentą į priklausomybę nuo pločio ir galios.

Įdomu ir tai, kad duomenys apie Yb-disperguoto pluošto lazerio (YDFL), praplečiančio 25 brėžinius, pavaizduotus toje pačioje normalizuoto linijinio pločio ir netiesinės fazės plokštumoje, gana gerai atitinka tiek Bi-doped pluošto lazerio duomenis, tiek parengtą teoriją (1 pav. 5). XPM efektas šiuo atveju yra santykinai mažas dėl didelės grupės siurblio ir lazerio bangų greičio dispersijos, nepaisant siauro YDFL spektro, kurį apibūdina siauros juostos išvestis FBG (0, 067 nm). Taip pat yra kitų skirtumų tarp YDFL ir tirtų dvipusio lazerio konfigūracijų. Dviejų komponentų lazeriuose aktyvusis pluoštas ir visa ertmė yra daug ilgesni, tuo tarpu Yb-legiruoto pluošto lazerio išėjimo galia yra šešis kartus didesnė. Nepaisant to, netiesinės fazės vertės abiejose schemose yra vienodos (~ 0, 5), nes galios integracija vyksta per ilgį. Nepaisant daug siauresnio Yb-disperguoto lazerio linijinio pločio (ypač palyginus su Bi lazeriu, kurio FBG yra 1, 88 nm), FBG pralaidumui normalizuotos vertės elgiasi gana panašiai pagal SPM teoriją (1 pav. 5).

Taip pat svarbu aptarti pasyvaus pluošto vaidmenį. Kaip minėta aukščiau, lazerio generacija tampa nestabili, kai pasyvusis pluoštas yra po BDF. Tai reiškia, kad su pasyviu pluoštu susijęs „Rayleigh“ atkūrimas nėra esminis dalykas stabilizuojant lazerio generaciją. Nors integruotasis PF (6, 2 · 10 –6 ) atspindys yra panašus į BDF (3, 8 · 10 –6 ), signalo galios dalis, atspindėta iš BDF, yra daug didesnė nei pasyviojo pluošto, nes signalo galia pasiekia maksimalią galią aktyviajame pluošte, kai jis yra išvesties gale (žr. skyrių „Metodai“). Taigi tiriamoje konfigūracijoje BDF turi lemiamą indėlį formuojant grįžtamąjį ryšį ir stiprinant signalą, kaip ir kituose atsitiktiniuose lazeriuose, įskaitant atsitiktinių skaidulų lazerius, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 . Tačiau pasyvus pluoštas, esantis ertmėje priešais BDF, vaidina svarbų vaidmenį stabilizuojant lazerio generaciją. Manome, kad pasyvaus pluošto vaidmuo yra spektro išplėtimas dėl neabsorbuoto siurblio sukeltos kryžminės fazės moduliacijos, kuri slopina Brillouin išsibarstymą, tokiu būdu stabilizuodama atsitiktinį ilgį. Iš tikrųjų kryžminių fazių moduliacijos poveikis gali slopinti Brillouin nestabilumą, kai tik spektro išplėtimas viršija Brillouin padidėjimo pralaidumą 26 . Kai pasyvusis pluoštas yra po Dvipusio pluošto, XPM sukeltas spektrinis išplėtimas yra daug mažesnis nei tiriamojoje schemoje, nes siurblio galios absorbcija yra dvipusio pluošto. Eksperimentai su skirtingais pasyviais pluoštais, turinčiais panašius Rayleigh užpakalinio skilimo koeficientus, taip pat patvirtina, kad pasyvaus pluošto Rayleigh išsibarstymas neturi reikšmingos įtakos stabilizacijai.

Apibendrinant, mes pademonstravome pirmąjį RS pagrindu veikiantį atsitiktinių pluoštų lazerį, kurio pagrindą sudaro dvejopo pavidalo aktyvusis pluoštas, ir palyginome jį su lazeriu, turinčiu normalią ertmę, suformuotą normaliai išpjaunant išvesties pluošto galą, o ne kampuojant, su kitais komponentais nepakeistas. Nors šių konfigūracijų galios charakteristikos yra panašios, atsitiktinio lazerio linijos plotis atrodo daug siauresnis. Parengta netiesinio išplėtimo teorija paaiškina šį poveikį specifiniu galios paskirstymu, kai labai silpnas grįžtamasis ryšys, pagrįstas RS, todėl SPM sukeltos netiesinės fazės vertė yra maža esant didelėms išėjimo galioms. Be to, palyginus skirtingų eksperimentinių schemų galios išplėtimą normalizuotuose vienetuose, atsižvelgiant į linijos plotį ir galią (padalytą iš FBG pralaidumo ir padaugintą iš faktinio ilgio, atitinkamai), paaiškėja labai geras jų tarpusavio susitarimas. Vienintelis nukrypimas pastebimas atsitiktinio pluošto lazerio su siauros juostos FBG atveju, kai XPM indėlis tampa palyginamas su SPM pločiu, todėl žymiai netiesinis priedas padidėja priklausomai nuo linijos pločio ir galios. Taigi sukurta vieninga SPM + XPM teorija apibūdina visas konfigūracijas. Parodytas siaurajuostis dviejų komponentų atsitiktinių skaidulų lazeris taip pat patrauklus tokioms programoms kaip jutimas ir telekomunikacijos (pvz., Kaip nesusijęs siurblio šaltinis paskirstytiems „Raman“ stiprintuvams 27 ), taip pat biologinis vaizdas, atsižvelgiant į jo efektyvaus konvertavimo į matomas diapazonas. Atkreipkite dėmesį, kad lazeriai, kurių pagrindą sudaro dvipusio pluošto pluoštai, turintys skirtingą pagrindinę kompoziciją ir tinkamai siurbiantys, gali generuoti labai platų bangų ilgių diapazoną, 1150–1775 nm, 28, 29 .

Metodai

Spektrinio išplėtimo analitinė išraiška dėl bendro savaiminės ir kryžminės fazės moduliacijos efekto

Leiskite mums įvesti signalo ( -ų ) ir siurblio ( p ) bangų koreliacijos funkciją, panašią į 24 :

Image

Čia E s , p ( z , t ) / E s , p ( z , ω ) yra signalo (-ų) ir siurblio (p) bangų laiko / dažnio elektrinis laukas, atitinkamai, kampiniai skliaustai žymi vidurkį per Gauso statistiką apie lazerio lauką. Koreliacijos funkcijos ir jos pirmojo bei antrojo darinių vertės, kai τ = 0, nusako vidutinę intensyvumo vertę

Image
, vidutinė dažnio vertė
Image
ir vidutinis kvadratinis (RMS) dažnis ω RMS atitinkamai:

Image
Image
Image

Koreliacijos funkcija išėjimo gale (

Image
), nukreipta į priekinę signalo bangą, esant mažam XPM sukeltam fazės poslinkiui, turi tokią pačią formą kaip ir SPM, esant 30, 31 stiprinimui :

Image

kur G yra vientisas prieaugis,

Image
yra netiesinė fazė, γ SPM ir γ XPM yra atitinkamai Kermo koeficientai SPM ir XPM, δβ yra siurblio ir signalo bangų dispersijos mažėjimo koeficientas, I ( z, t ) = | E s ( z , t ) | 2 ir P ( z , t ) = | E p ( z , t ) | 2 yra santykinai signalo siurblio galia. Pirmasis ir antrasis veiksniai Eq. (8) yra susiję atitinkamai su SPM ir XPM procesais.

Atgalinių bangų koreliacijos funkcijos yra panašios formos, tačiau be XPM faktoriaus. Dėl to koreliacijos funkcija per vieną ertmę ertmėje įgauna formą

Image

čia R1 yra efektyvus plačiajuosčio ryšio išvesties veidrodžio atspindys, kai z = L. Reikėtų pažymėti, kad SPM efektas vaidina vaidmenį pirmyn ir atgal. Po dvigubai diferencijuoto Eq. (9) galima nustatyti įvesties ir išvesties koreliacijos funkcijos RMS dažnių santykį:

Image

kur P ( z , t ) = P + ( z , t ) ≡ P, kaip tik kartu sklindanti siurblio banga sukelia XPM, tuo tarpu I ( z , t ) = I + ( z , t ) + I - ( z , t ). Norėdami rasti RMS dažnį

Image
išvesties koreliacijos funkcijai reikalinga lygtis, apibūdinanti FBG atspindį. Tarkime, kad visi spektriniai profiliai turi Gauso formą, ty
Image
signalui ir
Image
FBG atspindžio koeficientui. Tokiu atveju galima išvesti santykį

Image

Lygtys (10) ir (11) sudaro uždarą sistemą. Dėl to normalizuotas spektrinis tiesinis plotis įgauna formą

Image

kur ϕ XPM = γ XPM P / ββ Δ RMS yra netiesinis fazės poslinkis dėl XPM proceso. Be XPM spektrinis išplėtimas yra SPM sukeltos fazės linijinė funkcija,

Image
, panašiai kaip 25 . Reikėtų pažymėti, kad konstanta ref. 25 skiriasi dėl tariamo spektrinio kontūro (hiperbolinio sekanto), santykis tarp RMS ir FWHM pločių taip pat priklauso nuo spektrinės formos (
Image
spektrų Gauso formai). FWHM spektro plotis bangos ilgio vienetais (išmatuotas eksperimente) turi tokią formą
Image
.

Taigi, atsižvelgiant į XPM, gaunamas papildymas, kuris kinta priklausomai nuo galios netiesiškai net esant linijiniam siurblio ir lazerio galios santykiui. Ypatinga koeficiento tarp linijos juostos ir išėjimo galios vertė taip pat priklauso nuo išilginio galios paskirstymo, apibrėžiančio vientisą netiesinę fazę, kuri, savo ruožtu, skiriasi skirtingose ​​ertmių konfigūracijose.

Išilginis galios paskirstymas ir netiesinė fazė

Kaip matyti iš ankstesnio skyriaus, netiesinė fazė labai priklauso nuo signalo galios pasiskirstymo ertmėje priekinėms I + ( z , t ) ir atgal I - ( z , t ) bangoms. Panagrinėkime ertmę, sudarytą iš pasyviųjų ir aktyviųjų pluoštų, kurių ilgis yra atitinkamai L p ir L a , ir veidrodžius priešingoje ertmėje, kurių atspindžiai yra R1 ir R2 . Taip pat darykime prielaidą, kad pasyviojo pluošto galia nepriklauso nuo išilginės koordinatės z, o aktyviojo pluošto galia auga eksponentiškai. Iš lygybės tarp nuostolių ir pelno, gaunamo apvažiavimo metu, sąlyga yra energijos paskirstymas

Image

Image

kur I out - išvesties galia, tiekiama iš išėjimo veidrodžio su atspindžio koeficientu R 1 . Taigi aktyviojo pluošto išvestyje pasiekiama didžiausia priekinių bangų galia. Taigi netiesinė fazė R1 ≪ 1 ir R2 ~ 1 atveju yra tokia

Image

kur L eff yra efektyvusis ertmės ilgis. Taigi, netiesinės fazės ir išvesties lazerio galios santykis labai priklauso nuo išėjimo atspindžio koeficiento R 1 , o jo mažiausia vertė pasiekiama, kai labai silpnas grįžtamasis ryšys paremtas RS.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.