§ 4.8. Схемы компрессии с использованием трехчастотного взаимодействия

Волоконно-оптическая компрессия является эффективным способом получения импульсов предельно малой длительности в видимом и ближнем ИК диапазонах. Однако энергия на выходе этих систем обычно не превышает нескольких наноджоулей, поэтому в ряде

приложений возникает необходимость в их усилении (§ 6.5), что сопряжено с техническими трудностями. В этом параграфе мы хотим привлечь внимание к новым возможностям усиления и управления частотной модуляцией в средах с квадратичной нелинейностью [43].

Рис. 4.17. Схема экспериментальной установки по параметрическому усилению частотно-модулированных импульсов: 1 — лазер на фосфатном стекле с пассивной синхронизацией мод, 2 — удвоитель частоты, 3 — параметрический усилитель на кристалле одномодовый волоконный световод, 5 — динамический интерферометр, 6 — компрессор, 7 — измеритель длительности [43]

Работы последнего времени показали, что использование трехчастотных взаимодействий весьма перспективно для генерации перестраиваемых в широком частотном диапазоне длин волн фемтосекундных импульсов большой мощности.

Рис. 4.18. Динамические интерферограммы: а — на выходе световода; сигнальный импульс; в — холостой импульс на выходе усилителя [43]

Начнем с рассмотрения экспериментов по параметрическому усилению частотно-модулированных импульсов и обращению знака частотной модуляции [43, 44]. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.17. Одиночный импульс накачки с длительностью энергией длиной волны излучения генерировался в лазере на фосфатном стекле с пассивной синхронизацией мод. Затем он вводился (с эффективностью в короткий отрезок одномодового волоконного световода В результате фазовой самомодуляции его спектр уширялся в среднем до В качестве активной среды для реализации параметрического усиления был выбран кристалл обладающий -градусным синхронизмом и весьма широкой полосой усиления (длина 4 см, взаимодействие

Сигнальный импульс с выхода волоконного световода и импульс накачки вторая гармоника лазера на КНФС) через согласующие линии оптической задержки синхронно вводились в кристалл Коэффициент усиления по энергии достигал . Импульс накачки имел меньшую длительность, чем сигнальный, поэтому на выходе кристалла диапазон сканирования частоты уменьшался до

Исследование частотной модуляции сигнального и холостого импульсов проводилось методом динамической интерферометрии. На рис. 4.18 приведены динамические интерферограммы на выходе волоконного световода (а) и на выходе параметрического усилителя сигнальный импульс, в — холостой). Область свободной дисперсии интерферометра Майкельсона составляла Измеряя наклон полос, можно вычислить скорости изменения частоты временем Знак наклона полос обусловлен знаком частотной модуляции. Как видно из рисунка, полосы на частотах наклонены в разные стороны, т. е. фазовые характеристики сигнальной и холостой волн являются сопряженными, что непосредственно следует из уравнений параметрического усиления, записанных в приближении заданного поля накачки (§ 3.3). При компрессии параметрически усиленных частотно-модулированных импульсов получено сжатие до пиковая мощность сжатых импульсов достигала

Широкополосное параметрическое усиление позволяет во многих случаях увеличить энергию ЧМ импульсов на пять — шесть порядков без искажения их частотных характеристик. Кроме того, сопутствующая генерация фазосопряженного импульса на холостой длине волны позволяет реализовать обращение частотной модуляции в пикосекундном диапазоне длительностей. По существу, мы имеем дело с временным аналогом обращения волнового фронта. Обращение частотной модуляции, в частности, дает возможность использовать в качестве компрессоров среды с нормальной дисперсией групповой скорости.

Вторая группа экспериментов [45] относится к преобразованию частотной модуляции импульсов в параметрических генераторах света с синхронной накачкой. Основным их итогом явилась разработка нового метода управления скоростью частотной модуляции. Экспериментально показано, что скорость изменения частоты импульсов параметрической генерации или может существенно превышать скорость изменения частоты импульсов накачки причем коэффициент преобразования величин определяется только дисперсионными характеристиками кристалла (см. также § 3.3).

Параметрическое усиление при наличии частотной модуляции импульсов накачки эквивалентно усилению со сдвигом частотной полосы во времени. Действительно, если частота накачки меняется со временем по линейному закону

где время нормировано на длительность импульса накачки, то центральные частоты в максимуме линий усиления сигнальной и

холостой волн изменяются следующим образом:

Выражения для скоростей частотной модуляции имеют вид

Величину коэффициента преобразования частотной модуляции следовательно, вблизи вырожденного режима взаимодействия можно оценить по формуле

расстройка групповых скоростей.

В экспериментах [45] импульс накачки к концу цуга генерации имел частотную модуляцию со скоростью Сигнальный и холостой импульсы с длительностью поступали в среду с нормальной дисперсией групповой скорости (кристалл На выходе компрессора сигнальный импульс, обладающий положительной частотной модуляцией, уширялся до а холостой, с отрицательной частотной модуляцией, сжимался до

Таким образом, исследование преобразования частотных характеристик накачки в процессе параметрической генерации света привело к созданию нового метода управления скоростью частотной модуляции сверхкоротких световых импульсов.