§ 5.4. Самосжатие мощных пикосекундных импульсов

В этом параграфе мы обратимся к задачам использования солитонных эффектов для получения импульсов предельно малой длительности. Наиболее естественный путь — это использование самосжатия -солитонного импульса в волоконном световоде. По существу, речь идет о временном аналоге самофокусировки светового пучка.

Экспериментальная реализация самосжатия требует решения практически важных вопросов об оптимальной длине волоконного световода и о предельно достижимой степени сжатия. Простые оценки этих величин получаются из соображений, аналогичных приведенным в § 4.4. Исходя из величины нелинейного спектрального уширения и условия легко показать, что хвост импульса, где первоначально «локализованы» высокочастотные спектральные компоненты, догоняет низкочастотный фронт на расстоянии Таким образом, длину световода следует выбирать порядка нелинейной длины. Для оценки степени сжатия 5 воспользуемся тем, что Если импульс на входе в среду был спектрально-ограниченным, то

т. е. степень сжатия пропорциональна числу солитонов, содержащихся в исходном импульсе.

Разумеется, полная информация о зависимости от характеристик излучения и параметров световода может быть получена только в численном эксперименте. Авторы [10] исследовали зависимость оптимальной длины световода, степени сжатия и доли энергии, заключенной в узком центральном пике (рис. 5.1 и 5.6), от амплитуды импульса для случая

При возрастании от 2 до 15 оптимальная длина световода монотонно уменьшалась от до с тенденцией к насыщению. В указанном интервале изменения степень сжатия удовлетворяет приближенному соотношению

где коэффициент Погрешность этой формулы не превышает при Отметим, что доля энергии, заключенной в узком центральном пике, монотонно уменьшается с ростом при отношение «0,1.

Рис. 5.6. Расчетная зависимость оптимальной длины световода (в единицах от начальной амплитуды импульса

Результаты экспериментального исследования самосжатия изложены в [10]. Спектрально-ограниченный импульс синхронно-накачиваемого лазера на центрах окраски вводился в волоконный световод длиной При пиковой мощности излучения что соответствует 13, длительность импульса на выходе световода уменьшалась до В более коротком световоде, и при больших мощностях была реализована степень сжатия и получены импульсы с длительностью

Применительно к импульсам с начальной длительностью в десятки пикосекунд более перспективной представляется каскадная схема, предложенная и проанализированная в [11, 12]. Первый отрезок световода используется в качестве фазового модулятора На выходе решеточного компрессора формируются импульсы с длительностью в единицы пикосекунд. Их последующее самосжатие можно реализовать в сравнительно коротком отрезке световода с

Уникальные возможности для сжатия открываются в спектральном диапазоне вблизи точки нулевой дисперсии, поскольку здесь вследствие малости дисперсии критическая мощность образования солитона мала (см. (5.1.5)). Для этого спектрального диапазона созданы световоды как с нормальной, так и с аномальной дисперсией групповой скорости.

Соответствующий эксперимент описан в [13]. В этих опытах спектрально-ограниченные импульсы лазера на гранате с неодимом вводятся в одномодовый световод (точка нулевой дисперсии длина и сжимаются в

решеточном компрессоре до длительности в Результирующий импульс с пиковой мощностью поступает во второй отрезок световода и сжимается в солитонном режиме до длительности в что соответствует примерно 20 оптическим периодам. Расчеты показали, что в эксперименте [13] во втором каскаде реализовано самосжатие -солитонного импульса с Авторы оценили влияние кубичной дисперсии и дисперсии нелинейности на оптимальную длину световода и достижимую степень сжатия. Установлено, что эти факторы практически не влияют на солитонное сжатие.

Заметим, что в рассматриваемом спектральном диапазоне можно создавать чисто волоконные схемы сжатия (без промежуточного решеточного компрессора). Действительно, в первом отрезке световода (нормальная дисперсия) импульс приобретает положительную частотную модуляцию Во втором отрезке световода (аномальная дисперсия) такой импульс эффективно сжимается за счет совместного явления дисперсионных и нелинейных эффектов. Результаты теоретического анализа оптимальных режимов работы таких схем приведены в 14], экспериментальные данные в [15].

Большой практический интерес представляет вопрос о предельно достижимой степени солитонного самосжатия. При начальной длительности -солитонного импульса в единицы и десятки пикосекунд основным ограничивающим фактором становится модуляционная неустойчивость (§ 2.8), приводящая к распаду импульса до точки максимального самосжатия. Так, например, при и уровне шума распад происходит примерно на половине длины самосжатия. При самофокусировке пучков это соответствует режиму, когда мелкомасштабная самофокусировка начинает доминировать над крупномасштабной.

В процессе самосжатия импульса фемтосекундной длительности существенную роль играет нелинейная дисперсия групповой скорости, инерционность нелинейного отклика и кубичная дисперсия Влияние указанных факторов на предельную степень компрессии и структуру поля в «фокусе» проанализировано в [161.

В последнее время в физике и технике формирования сверхкоротких импульсов ближнего ИК диапазона наметился еще один перспективный подход — сжатие с комбинационным преобразованием частоты. Речь идет о практическом использовании рассмотренного в § 3.6 преобразования N-солитонного импульса накачки в мощный односолитонный импульс на стоксовой частоте (см. также [18]). Важную роль в этом процессе играет полная или частичная компенсация расстройки групповых скоростей на частотах сон и Такую компенсацию можно осуществить за счет волноводной дисперсии (в маломодовом световоде) или за счет симметричного выбора сон и относительно частоты нулевой дисперсии в одномодовом световоде.

Методами математического моделирования в [18] показано, что выбором параметров световода и импульса можно реализовать ситуацию, когда интенсивный энергообмен между волнами происходит в области максимального самосжатия импульса накачки. Взаимодействие волн через нелинейную добавку к показателю преломления

(кросс-модуляция) способствует сжатию импульсов и ускоряет энергообмен. Затем истощение накачки создает условия, при которых преобладающим процессом становится самовоздействие стоксова импульса. Результатом нелинейного преобразования является солитон на стоксовой частоте с энергией, практически равной энергии многосолитонного импульса накачки. Так, например, импульс накачки при преобразуется в стоксов солитон с форм-фактором Рассмотрены и другие возможности управления огибающей стоксова импульса: генерация связанных состояний ВКР солитонов или последовательности импульсов на стоксовой частоте.

Авторами [19] экспериментально реализовано сжатие с комбинационным преобразованием частоты импульсов в одномодовом световоде. В качестве источника использовался параметрический генератор света При мощности входного импульса на выходе световода длиной формировались импульсы на стоксовой частоте длительностью и мощностью (стоксов сдвиг

В [20] показана принципиальная возможность достижения высокой степени сжатия в системе волоконный световод — усилитель. Существенно, что самосжатие в сочетании с усилением позволяет формировать мощные моноимпульсы без пьедестала.