§ 4.2. Оптические компрессоры

Поскольку в волоконно-оптическом модуляторе частота промодулированной несущей нарастает от фронта к хвосту, оптический компрессор должен обладать аномальной дисперсией, т. е. время группового запаздывания для низкочастотных спектральных компонент, «локализованных» на фронте импульса, должно быть меньшим, чем для высокочастотных, локализованных на его хвосте. Простейший решеточный компрессор изображен на рис. 4.1. Он состоит из пары дифракционных решеток, расположенных параллельно друг другу.

Рис. 4.1. Компрессор, состоящий из пары дифракционных голографических решеток. Показан ход лучей, соответствующих длинам волн к и X

Время, затрачиваемое на прохождение оптического пути выражается через угол падения угол дифракции и расстояние следующим образом:

Дисперсионный параметр, определяющий изменение времени группового запаздывания с длиной волны, имеет вид

Используя известное соотношение между углами падения и дифракции

где - период решетки, получаем

Подстановка (4) в (1) приводит к выражению для дисперсионного параметра,

Учитывая связь с коэффициентом

получаем, что пара дифракционных решеток, расположенных на расстоянии эквивалентна аномально диспергирующей среде, причем

При типичных значениях параметров см, коэффициент имеет порядок а эффективная дисперсионная длина при составляет

Рис. 4.2. Компрессор с аномальной дисперсией: а — однопроходная схема, в которой возникает пространственное смещение спектральных компонент; б - двухпроходная схема (показаны возможности управления амплитудами и фазами спектральных компонент с помощью транспаранта

Существенно большие значения дисперсии можно реализовать с использованием отражающих решеток при скользящем падении светового пучка. Такие конфигурации применяются для сжатия импульсов с начальной длительностью в десятки пикосекунд. Особенности этой схемы обсуждаются в [9].

Заметим, что в изображенной на рис. 4.2а решеточной паре возникает нежелательный эффект — пространственный сдвиг высокочастотных и низкочастотных компонент. Указанный недостаток можно устранить с помощью зеркала, возвращающего излучение обратно в решеточную пару. После двойного прохода пространственное смещение частотных компонент компенсируется [10] (рис. 4.26).

В качестве сред с аномальной дисперсией успешно используются ячейки с парами щелочных металлов в области частот однофотонного

резонанса [3]. В таких ячейках удается достичь значительной дисперсии при приемлемом уровне потерь Недостатки этих элементов связаны с необходимостью работать вблизи фиксированных длин волн и с техническими трудностями их реализации.

Для сжатия частотно-модулированных импульсов с начальной длительностью в десятки и сотни фемтосекунд разработаны призмен-ные компрессоры [111, схема которых изображена на рис. 4.3. Призмы ориентированы так, что световой пучок падает на входную грань первой призмы под углом Брюстера, а все остальные ориентированы на угол наименьшего отклонения. В [11] показано, что такая система призм эквивалентна среде с дисперсионной постоянной

Оценки, проведенные для кварцевых призм при см, приводят к значениям с2/см. Преимущества призменных компрессоров обусловлены малыми энергетическими потерями и отсутствием пространственного смещения частот. Основная область их применения — внутрирезонаторные схемы сжатия [12, 13].

Рис. 4.3. Призмеиный компрессор, позволяющий реализовать аномальную и нормальную дисперсию [11]

В последнее время экспериментально показано, что дисперсию призменных компрессоров можно увеличить более чем на порядок за счет использования призм, изготовленных из стекла с большой дисперсией и выбора угла падения меньшего, чем угол, соответствующий положению минимального отклонения светового пучка. Таким образом, авторы [14] осуществили -кратное сжатие частотно-модулированного импульса с начальной длительностью в с энергетической эффективностью 85%.

В заключение отметим, что при сжатии импульсов с широким спектром как в призменных. так и в решеточных компрессорах существенной может оказаться зависимость дисперсионного параметра от которой соответствует квадратичная по времени частотная модуляция, характеризуемая параметром Как показывают расчеты, параметр имеет различный знак для решеточных и призменных компрессоров. Это обстоятельство указывает на возможность создания комбинированных компрессоров, способных эффективно сжимать импульсы, которые помимо линейной имеют и квадратичную частотную модуляцию.

Иными словами, появляется возможность исправлять аберрации временного распределения фазы, возникающие в процессе распространения излучения.