بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله به مطالعه رخداد انفجارهای سالیتونی در لیزرهای فیبری فمتوثانیه قفل مدی بر پایه آینه حلقوی تقویتگر غیرخطی به ازای تغییر پارامترهای مختلف کاواک لیزری از جمله توان پمپ حلقه اصلی و طول فیبر غیرفعال حلقه اصلی پرداخته می شود. با حل عددی معادله شرودینگر غیرخطی تحول شکل طیفی و انرژی پالس خروجی به ازای گردش های مختلف در کاواک بدست خواهد آمد و با بررسی این نتایج، گستره تنظیم هر یک از پارامترهای مورد بررسی جهت دستیابی به پالس خروجی پایدار بدست می آید. نتایج حاصله درک بهتری از میزان اثر گذاری هر یک از پارامترهای مورد بررسی کاواک را به ارمغان می آورد و نشان خواهد داد که تا چه اندازه انحراف از مقادیر بهینه منجر به رخداد انفجارهای سالیتونی در طول گردش های مختلف خواهد شد.
-1 مقدمه
توانایی تولید پالس های کوتاه با انرژی بالا توسط لیزرهای فیبری فمتوثانیه آنها را برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب کرده است.[1] قفل مدی در لیزرهای فیبری اصولا به واسطه یک تعامل پیچیده بین اثرات خطی و غیرخطی حاصل می شود. برهم کنش پیچیده اثرات خطی و غیرخطی در طی سالیان گذشته منجر به رخداد پدیده های جالبی در لیزرهای قفل مدی، مانند انفجارهای سالیتونی1 شده است. در این پدیده به دلیل کاهش یا افزایش بیش از حد فاز غیر خطی پالس انتشاری در کاواک، پالس از هم پاشیده و شبیه نویز می شود و بعد از چند گردش درون کاواک، دوباره به حالت پایدار اولیه خود بر می گردد و این روند در طول رفت و برگشتهای بعدی تکرار می شود.
در واقع انفجارهای سالیتونی همواره در ناحیه گذار بین حالت پایدار و حالت نویزی هستند. این پدیده نخستین بار با حل عددی معادله پیچیده گینزبرگ- لاندائو2 مشاهده شد.[2] در سال 2002 این رخداد برای اولین بار در لیزر تیتانیوم سفایر3 دیده شد.[3] در سال 2014 نیز آنتوئین اف . جی . رانگ 4 به همراه همکارانش برای اولین بار این پدیده را در لیزرهای قفل مدی بر پایه آینه های حلقوی تقویتگر غیرخطی5 - NALM - به صورت تجربی مشاهده کردند.[4] آنها این رفتار را به ازای پارامترهای ثابتی از لیزر مشاهده کردند.
در این مقاله اثر پارامترهایی مانند توان و طول فیبر غیرفعال حلقه اصلی بر انفجارهای سالیتونی در لیزرهای قفل مدی بر پایه NALM بررسی می شود . شبیه سازی عددی کاواک درک بهتری از پایداری قفل مدی به ازای پارامترهای مختلف کاواک بدست می دهد. نتایج نشان می دهد که با تنظیم دقیق این پارامترها می توان به یک کاواک بهینه با پایداری طولانی مدت و بدون انفجارهای سالیتونی دست یافت.
-2 تئوری
شکل 1 شمایی از لیزر فیبری فمتوثانیه قفل مدی شده بر پایه NALM را نشان می دهد. کاواک از دو بخش حلقه اصلی و حلقه NALM تشکیل شده است. حلقه اصلی متشکل از یک تکه فیبر فعال ایتربیوم که توسط یک لیزر دیود 980 nm پمپ می شود، یک بخش فیبر غیرفعال تک مد - - SMF 1، یک ایزولاتور، یک جفت کننده نوری که بخشی از توان درون کاواک را به خارج جفت می کند و یک فیلتر میان گذر6 است. حلقه NALM نیز شامل یک تکه فیبر فعال ایتربیوم، که توسط یک لیزر دیود 980nm پمپ می شود و یک بخش فیبر غیرفعال تک مد - SMF 2 - که توسط یک جفت کننده به حلقه اصلی متصل شده است، می باشد.
-3 اثر توان پمپ حلقه اصلی بر پایداری قفل مدی کاواک
در این بخش به بررسی اثر توان پمپ حلقه اصلی بر ناپایداری های کاواک و تشکیل سالیتونهای انفجاری در پالس خروجی خواهیم پرداخت. شکل 2 تحول شکل طیفی و انرژی پالس خروجی به ازای 200 دور گردش در کاواک را به ازای توانهای پمپ مختلف نشان می دهد. همانطور که از شکل مشاهده می شود به ازای توان پمپ 50mW پالس خروجی کاملا پایدار بوده و هیچ گونه انفجار سالیتونی در آن مشاهده نمی شود به طوری که شکل طیفی و انرژی آن در طول 200 دور گردش در کاواک کاملا ثابت است.
با افزایش توان پمپ حلقه اصلی به 60mW - شکل - b به دلیل افزایش شدت پالس، فاز غیر خطی اعمالی بر پالس ناشی از اثرات خود مدولاسیون فازی9، خود تیز شدگی10و رامان11افزایش یافته و در نتیجه وارد یک رژیم ناپایدار خواهد شد و سالیتونهای انفجاری در پالس خروجی تشکیل می شود به طوری که در دورهای 60 و 125 و 175 پالس از هم می پاشد و شبه نویز - رژیمی بین رژیم پالس پایدار و رژیم نویزی - می شود. همانطور که از شکل f نیز مشخص است در این تعداد دورها که پالس شبه نویز می شود انرژی پالس کاهش میابد که این به دلیل ناهم فازی مولفه های فرکانسی نوسانی در کاواک تحت شرایط شبه نویز می باشد.
