Р. Дионн, М. Морин, PhD, TeraXion*
Процесс высокоскоростной индустриальной прецизионной обработки материалов требует использования сверхкоротких лазерных импульсов длительностью в единицы пикосекунд и даже в десятки и сотни фемтосекунд. Причем с сочетанием высокого уровня энергии и высокой средней мощности.
При этом лазеры должны быть экономичными в эксплуатации и сохранять стабильность параметров даже при изменении внешних условий. Достижению этих целей помогает использование дифракционных волоконных брэгговских решеток (ВБР) с линейно изменяющимся периодом для растяжения импульсов. Однако здесь необходимо правильно выбрать соответствующую схему растяжения импульса.
Архитектура лазера со сверкоро ткими импульсами
Относительно высокая энергия фемтосекундных импульсов генерируется обычно по схеме, основанной на усилении низкомощного сверхбыстрого генератора коротких импульсов с энергией на уровне наноджоулей и высокой частотой повторения импульсов. Получение импульсов достаточно большой энергии (десятки микроджоулей) с высокой частотой следования (сотни килогерц) и максимально короткой (менее 200 фемтосекунд) длительностью импульса достигается в лазерных системах с усилением чирпированных импульсов (так называемых CPA-системах, реализующих метод усиления чирпированных импульсов, CPA – chirped pulse amplification). Импульсы низкой энергии усиливаются с помощью объемного или волоконного усилителя до сотен миллиджоулей энергии на один импульс.
Но для того чтобы избежать оптического повреждения усилителя и возникновения нелинейных эффектов, которые искажают импульс и снижают его пиковую мощность, требуется усилить импульс с линейной частотной модуляцией. Эта технология заключается в предварительном значительном растяжении импульса перед усилением и последующем его повторном сжатии. При этом необходимо избегать возникновения неблагоприятных высоких пиковых мощностей на стадии усиления. Изменение длительности импульса на выходе лазерных систем с усилением чирпированных импульсов по сравнению с длительностью задающего генератора определяется искажением спектра в основных элементах лазера – стретчере, усилителе и компрессоре.
Рассматриваемая технология расширения и сжатия импульсов была реализована несколько лет назад в отношении линзово-зеркальной оптики. В настоящее время лазерная отрасль все больше опирается на волоконные компоненты для совершенствования устойчивости системы, снижения затрат и получения готового решения. Большинство коммерческих сверхбыстрых лазеров создано при сочетании объемных и волоконных компонентов. При этом объемные компоненты все еще требуются на стадии сжатия и иногда на стадии усиления в зависимости от используемой пиковой мощности.
Требования к расширителям импульсов
Для практических индустриальных применений наиболее важным свойством сверхкоротких лазерных импульсов является их хорошая локализация и краткость энергетического воздействия, проникающего в глубину обрабатываемого материала. Абляция материала наступает еще до того момента, пока тепловая энергия распространится по материалу вокруг лазерного пятна. Таким образом, минимизация неблагоприятного теплового воздействия открывает широкие возможности для пространственно точной обработки материалов. В связи с этим лазер должен производить сверхкороткие, мощные и чистые импульсы, без боковых или опорных импульсов с низким уровнем интенсивности. Для достижения этой цели огромное значение имеют управление дисперсией и оптимизация полосы пропускания.
Работа системы СРА во многом зависит от процесса управления дисперсией, при этом величина длительности импульса увеличивается на три порядка перед усилением, а затем опять снижается до своего первоначального значения. Это необходимое условие поддержания современного качества импульса.
Дисперсии удлинителя импульсов (стретчера), собранного на пропускающей дифракционной решетке, компрессора и усилителя должны хорошо сочетаться, а их спектральные вариации групповой временной задержки должны компенсировать друг друга на долю заданной продолжительности выходного импульса. Система СРА с импульсами продолжительностью в десятки пикосекунд и выше может быть выполнена с использованием расширителя с линейной дисперсией, даже если компрессор (стандартно компрессор Treacy, построенный на основе объемных дифракционных решеток) является нелинейным. Тогда нелинейная дисперсия компрессора будет оказывать незначительное воздействие на групповое время задержки по ограниченной ширине спектра импульса (например, 150 пм полной ширины на полувысоте максимума для ограниченного импульса преобразования Фурье 10 пс на 1 мкм). Для этого случая подходит использование решетки ВБР с линейно изменяющимся периодом или волокна с компенсацией дисперсии (DCF). Поскольку заданные выходные импульсы становятся короче, управление дисперсией приобретает все более критичный характер: приемлемые искажения группового времени задержки уменьшаются, при этом искажения, возникающие в результате действия дисперсии на растущей ширине спектра импульса, становятся ощутимее. При продолжительности ограниченного выходного импульса длительностью меньше 5 пс необходимо учитывать нелинейную дисперсию высшего порядка. По возможности, расширитель импульсов должен также выполнять компенсацию в отношении дисперсии оптических компонентов, кроме компрессора импульсов (например, дисперсии усиливающего оптического волокна) в рамках сверхбыстрой лазерной системы, а также в отношении нелинейностей, если они присутствуют.
Достижимое качество сжатия импульсов ограничено общей шириной спектра лазерной системы. Цепочка CPA должна обеспечивать достаточную полосу пропускания, чтобы не ухудшать качество импульса. Спектральное ограничение, вносимое с помощью расширителя или компрессора, в результате приводит к формированию более длинных импульсов с более сильными боковыми лепестками. Четкая полоса пропускания, которая примерно составляет двух-трехкратную ширину спектра полной ширины на полувысоте максимума импульса, должна предоставляться системой СРА.
В зависимости от усиливающей среды и уровня усиления, большинство усилителей способствует сокращению эффективной спектральной ширины спектра импульса, ограничивая, таким образом, степень достижимого сжатия импульса. Даже волоконные усилители, известные своей большой полосой усиления, снижают уровень усиления у импульсов короче 300 фс. Для некоторых объемных усилителей это ограничение может составлять порядка пикосекунд. Снижение уровня усиления можно нейтрализовать с помощью формирования спектра импульса перед его усилением. При этом такая предварительная компенсация создается для выравнивания спектра усиленного импульса. В результате на выходе из усилителя формируются более короткие импульсы с большей шириной спектра.
Расширители с дифракционной волоконной брэгговской решеткой с линейно изменяющимся периодом (CFBG)
Компактность, низкая стоимость и универсальность конструкции расширителей с дифракционной волоконной брэгговской решеткой с линейно изменяющимся периодом (CFBG) делают их идеальным решением для сверхбыстрых лазеров с высокой энергией излучения. Решетка CFBG представляет собой квазипериодическую модуляцию показателя преломления вдоль оптического волокна, которая создается путем впечатывания интерференционных полос от УФ-излучения в волокно. Эта модуляция действует в качестве решетки, отражающей свет длины волны, зависящей от периода модуляции. Данный период может варьироваться по всей длине волокна. Это позволяет, таким образом, полностью управлять отражением вдоль решетки, при котором коэффициент отражения света функционально зависит от длины волны излучателя. Соответственно, вариация группового времени задержки как функция длины волны может быть настроена в произвольном порядке.
Такая уникальная гибкость позволяет создавать решетки CFBG для компенсации дисперсии любого компрессора и прочих оптических компонентов в рамках лазерной системы. Нелинейные эффекты могут также учитываться при создании расширителя импульсов с CFBG. Отражательная способность решетки как функция длины волны также может быть настроена путем регулировки силы модуляции вдоль волокна. Таким образом, расширитель импульсов с CFBG может модифицировать спектр, например, с целью предварительной компенсации уменьшения уровня усиления.
Описание расширителя импульсов CFBG
Конструкция расширителя импульсов CFBG предусматривает высокую степень гибкости в отношении спектральной чувствительности целевого группового времени задержки. Расширитель импульсов может быть описан как устройство, которое компенсирует дисперсию компрессора импульсов, а также дисперсию других оптических компонентов в рамках сверхбыстрой лазерной системы, таких как оптоволоконные каналы. В случае необходимости нелинейные эффекты также могут быть учтены.
Дисперсия расширителя импульсов может быть представлена с помощью коэффициентов разложения в ряд Тейлора применительно к его оптической фазе, то есть:
где ω – радиальная оптическая частота, и коэффициенты
которые стандартно выражаются в псn, являясь производными фазы по частоте в центре частоты ωс. Точность, которая требуется при описании оптической фазы, то есть количество и точность коэффициентов βn, увеличивается по мере сжатия выходных лазерных импульсов.
В случаях, когда требуется расширитель CFBG для компенсации только дисперсии компрессора импульсов, в качестве альтернативы может быть представлено геометрическое описание компрессора (угол падения, разделение между решетками и линейная плотность решеток). Задаваемая дисперсия расширителя импульсов определяется компанией TeraXion с помощью данных параметров с учетом характеристики полного группового времени задержки компрессора.
Как было сказано выше, для оптимизации работы сверхбыстрой лазерной системы можно регулировать спектральную зависимость отражательной способности расширителя импульсов CFBG. Полоса пропускания расширителя должна быть достаточно широкой для того, чтобы избежать отсечки импульсов. Спектральная зависимость отражательной способности может быть определена для возможности предотвращения снижения уровня усиления.
Следует отметить, что для оптимизации работы системы СРА показатели спектральной зависимости оптической фазы и отражательной способности расширителя импульсов CFBG могут быть заранее определены.
Эффективность работы расширителя импульсов CFBG и его влияние на работу лазера
Погрешности при изготовлении решеток FBG неизбежны, так же как и наличие частиц на волокне и неоднородности в его структуре. Они ограничивают эффективность работы расширителя импульсов CFBG даже при создании идеальной конструкции. Эти погрешности изготовления служат причиной неравномерности группового времени задержки (GD) по всему спектру расширителя. А неравномерности, в свою очередь, вызывают появление опорных или боковых импульсов, сопровождающих основной повторно сжатый импульс. В результате снижеется пиковая мощность импульса и его эффективность при взаимодействии с материалом.
Период неравномерностей спектрального группового времени задержки определяет характер ослабления импульса. Неравномерности с длительным периодом оказывают сильное влияние и приводят к перераспределению энергии вблизи основного импульса, при этом неравномерности с высокой частотой создают очень слабые боковые импульсы, которые отдалены от основного импульса.
Компания TeraXion внедрила некоторые функциональные возможности, необходимые для получения полных характеристик расширителей импульсов CFBG, которые используются в промышленных сверхбыстрых лазерах. Более того, были использованы методы моделирования для определения влияния спектральной чувствительности CFBG, в том числе неравномерностей группового времени задержки, на повторно сжатые импульсы.
Эффективность работы высокоточного расширителя импульсов (HPSR) TeraXion
Компания TeraXion с 2000 года является ведущим производителем волоконных брэгговских решеток для телекоммуникационной отрасли. При этом основное применение решеток заключается в компенсации хроматической дисперсии на высокоскоростных каналах связи. Для того чтобы соответствовать жестким требованиям этой отрасли, компания TeraXion разработала экспертные и собственные технологии, позволяющие осуществлять исключительный контроль за временной реакцией решеток CFBG. Признавая тот факт, что сверхбыстрые промышленные волоконные лазеры представляют большую ценность на развивающемся рынке, компания TeraXion адаптировала данную технологию к длинам волн и масштабам времени, которые типичны для этих лазеров.
Погрешности, связанные с минутным групповым временем задержки, которые были обнаружены в новых устройствах PWS-HPSR компании TeraXion, позволяют верно осуществлять повторное сжатие в чистые импульсы на уровне сотен фемтосекунд. Конечный результат заключается в невероятно эвысокой ффективности работы CPA, позволившей расширителю линейных импульсов занять лидирующие позиции в отрасли.
Перестраиваемый расширитель импульсов компании TeraXion (TPSR)
Профильная телекоммуникационная продукция компании TeraXion включает в себя перестраиваемые дисперсионные компенсаторы, в которых дисперсия решеток CFBG регулируется с помощью применения более или менее сложных температурных градиентов вдоль решетки. В настоящее время технология адаптирована для производства перестраиваемого расширителя импульсов (TPSR), в котором дисперсия применяется для компенсации колебаний условий окружающей среды, изменяющих выходящие импульсы сверхбыстрых лазеров. Компенсация на уровне расширителя импульсов будет более простой, более точной, более надежной и менее дорогой, если сравнить выполнение тех же задач с помощью объемного оптического компрессора, оснащенного дорогими высокоточными оптическими компонентами.
Компания "ОЭС Спецпоставка" является официальным представителем компании TeraXion в России.
* Компания TeraXion занимается разработкой и производством фотонной продукции, производством и продажей высокоскоростных оптоволоконных сетей электропередачи, волоконных лазеров и устройств оптического считывания на развивающихся рынках. На протяжении многих лет способности компании TeraXion трансформировать сложные технологии в производимые высокотехнологичные продукты использовались в сфере кремниевой фотоники (SiP) и фосфида индия (InP) для модуляторов и приемников следующего поколения –100 Гб/с и выше.
