§ 5.6. Солитонные лазеры

Термин солитонный лазер введен авторами работы [37] применительно к источнику стабильных перестраиваемых по частоте и длительности импульсов с огибающей Оптическая схема солитонного лазера представлена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Блок-схема солитонного лазера. Изображен синхронно - накачиваемый лазер на центрах окраски с резонатором, образованным зеркалами —30, и вспомогательный резонатор содержащий одномодовый волоконный световод линзы [37]

Он состоит из двух связанных резонаторов — основного (зеркала ) и вспомогательного (зеркала Основной резонатор представляет собой синхронно-накачиваемый лазер на центрах окраски, генерирующий в автономном режиме спектрально-ограниченные импульсы длительностью со средней мощностью и частотой повторения В режиме солитонного лазера часть излучения через полупрозрачное зеркало 30 (коэффициент пропускания и делительную пластинку вводится во второй резонатор, содержащий одномодовый волоконный световод. Уровень мощности во втором резонаторе и длина волоконного световода подбираются так, чтобы испытавший самосжатие импульс инжектировался в основной резонатор синхронно с накачкой, что приводит к генерации более короткого импульса и т. д. вплоть до выхода на стационарный режим. В стационарном режиме импульс воспроизводится после двойного пробега по световоду и представляет собой связанное состояние двух солитонов. Его параметры могут быть найдены из условий

где длина световода, а критическая мощность, определяемая соотношением (5.1.5). Таким образом, к обычному для стационарного режима условию баланса усиления и потерь добавляется

условие баланса дисперсионного расплывания и нелинейного самосжатия, определяющее длительность генерируемого импульса.

Для конкретного физического анализа вернемся в (1) к размерным переменным,

Следуя 137], изобразим зависимости от обратной длительности импульса (напомним, что полная длительность по полувысоте На рис. 5.13 приведена также зависимость пикового значения мощности импульса в световоде которая определяется коэффициентом ввода излучения средним по времени значением мощности во втором резонаторе периодом следования импульсов и их длительностью

Рис. 5.13. Диаграмма, иллюстрирующая работу солитонного лазера [37]. Приведены зависимости критической мощности формирования односолитонных и двухсолитонных импульсов, а также длины формирующего световода от обратной длительности генерируемого импульса; отмечена устойчивая рабочая точка

При изменении коэффициента ввода меняется наклон прямой на рис. 5.13. Устойчивой работе лазера соответствует точка в которой совместны все три условия Если в силу каких-то случайных факторов длительность импульса возрастает, то «рабочая точка» сдвинется по прямой (3) влево и будут справедливы неравенства что приведет к уменьшению длительности на выходе световода.

Для устойчивости синхронного режима работы солитонного лазера требуется весьма точное согласование длин основного и вспомогательного резонаторов. В [38] сообщается о создании автоматизированной системы стабилизации режима работы солитонного лазера, минимальная длительность импульсов доведена до

Отметим, что, в принципе, возможно существование и других рабочих точек, определяемых условием где Наименьшим энергетическим порогом обладает, очевидно, точка соответствующая распространению в световоде односолитонного импульса. Однако на сегодняшний день нет сообщений об экспериментальной реализации подобных режимов.

Теория солитонных лазеров в настоящее время активно развивается [39, 40, 41], но существующие упрощенные модели еще не вышли на уровень количественного сравнения с реальными устройствами.

Солитонные эффекты в сочетании с комбинационным преобразованием частоты положены в основу рамановских солитонных лазеров.

Простейшая схема такого лазера представлена на рис. 5.14 [42]. Импульсно-периодическое излучение накачки от лазера на центрах окраски вводится в синхронный резонатор, содержащий одномодовый волоконный световод Точка нулевой дисперсии световода за счет специального выбора профиля показателя преломления сдвинута в область Таким образом центр линии комбинационного усиления попадает в область аномальной дисперсии групповой скорости.

Рис. 5.14. Схема комбинационного солитонного лазера с синхронной накачкой [42]

Рис. 5.15. Схема комбинационного световодного лазера солитонного типа, работающего в области нормальной дисперсии групповой скорости [44]

Когда пиковая мощность вводимого в световод излучения накачки достигает уровня на выходе лазера формируются солитонные импульсы с длительностью до и пиковой мощностью в десятки ватт на стоксовой частоте. Процесс эффективного энергообмена между излучением накачки и стоксовым импульсом заканчивается на расстоянии около от начала световода. Остальной участок волокна фактически играет роль нелинейного фильтра, улучшающего временную структуру излучения (§ 5.9).

Физическая картина формирования ВКР солитонов детально исследована в [18], она уже обсуждалась в § 3.6. Теория динамических процессов каскадной самосинхронизации мод в волоконных ВКР лазерах развита авторами

Рамановские лазеры солитонного типа можно создавать и в спектральном диапазоне, соответствующем нормальной дисперсии групповой скорости. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 5.15 [44]. Квазинепрерывное излучение лазера на гранате с неодимом вводится в кольцевой синхронный резонатор, содержащий одномодовый световод решеточный компрессор, интерференционный фильтр, используемый в качестве перестроечного элемента, и ряд пластинок, обеспечивающих восстановление поляризации.

На выходе системы формируются импульсы с длительностью на стоксовой частоте В этой схеме синхронно-накачиваемый волоконный световод играет роль активной среды и безынерционного фазового модулятора, а наличие решеточного компрессора позволяет стабилизировать длительность выходного импульса на минимальном уровне. Минимальная длительность в подобных устройствах ограничивается шириной полосы рамановского усиления и может быть, в принципе, доведена до