IGF



Rozprawa Doktorska

Generacja superkontinuum w zakresie podczerwieni w światłowodach fotonicznych wykonanych z wieloskładnikowych szkieł tlenkowych

Autor:

Promotor:

Instytucja promująca:

Rok:

Grzegorz Stępniewski

dr hab. Ryszard Buczyński

Wydzial Fizyki

2018

Światłowody fotoniczne cieszą się dużym zainteresowaniem już od ponad dwudziestu lat. Ogromne możliwości kształtowania właściwości dyspersyjnych poprzez dobór struktury oraz duża gęstość mocy optycznej w rdzeniu włókna sprawiły, że znalazły one zastosowanie w optyce nieliniowej. Szybko zauważono, że pompowanie światłowodów w zakresie dyspersji anomalnej wysokoenergetycznymi impulsami laserowymi powoduje powstawanie i rozpad solitonów optycznych, które w wyniku szeregu zjawisk nieliniowych znacząco poszerzają widmo impulsu prowadząc do powstania tzw. superkontinuum. Widmo superkontinuum może sięgać zakresu podczerwieni, stając się bardzo dobrym źródłem światła, które znajduje zastosowania w wielu dziedzinach nauki. Ograniczeniem stało się powszechnie stosowane szkło krzemionkowe, którego transmisja w podczerwieni znacząco spada dla długości fali większych niż 2,4 μm. Dlatego trwają prace nad syntezą szkieł o lepszej transmisji w podczerwieni i wysokim nieliniowym współczynniku załamania, które dodatkowo są odporne na krystalizację podczas wielokrotnej obróbki termicznej. Moja praca miała na celu udowodnienie, że światłowody fotoniczne wykonane z oryginalnych szkieł na bazie tlenków metali ciężkich umożliwiają generację superkontinuum w zakresie bliskiej podczerwieni, przy pompowaniu w zakresie dyspersji anomalnej. Dodatkowo wykazano, że do ich pompowania optycznego można wykorzystać stosunkowo tanie i mało skomplikowane lasery światłowodowe, pracujące w trzecim oknie transmisyjnym (około 1,55 μm). W pracy zaproponowano dwie odmienne metody kształtowania charakterystyki dyspersji chromatycznej światłowodów. Pierwszą z nich, klasyczną, jest modyfikacja struktury szklano-powietrznego płaszcza fotonicznego. Z kolei innowacyjnym podejściem jest podfalowa strukturyzacja obszaru samego rdzenia, który jest otoczony płaszczem z litego szkła. W ramach pracy przeprowadzono badania właściwości liniowych wybranych włókien ze szkła ołowiowo-bizmutowo-galowego oraz ze szkła tellurowego, a także wygenerowano szerokie na ponad oktawę widma superkontinuum. Obiecujące wyniki skłoniły do przeprowadzenia procesu optymalizacji dyspersji, w wyniku którego zaprojektowano, wytworzono oraz zbadano włókno ze szkła ołowiowego o trzech różnych współczynnikach wypełnienia w płaszczu fotonicznym. Otrzymana płaska charakterystyka dyspersji pozwoliła na generację widma w zakresie spektralnym od 0,8 μm do 2,4 μm przy pompowaniu impulsami o czasie trwania 400 fs. Zademonstrowano również możliwość wytworzenia włókna ze szkła tellurowego o regularnej, heksagonalnej strukturze płaszcza, które umożliwia efektywniejsze odprowadzanie ciepła z rdzenia w porównaniu z dotychczas stosowanymi włóknami tellurowymi z zawieszonym rdzeniem. W badanym włóknie otrzymano widmo superkontinuum ograniczone do długości fali 2,5 μm, z powodu występowania głębokiego i szerokiego piku absorpcyjnego, związanego z obecnością jonów OH– w szkle. - 2 - Rozprawa zawiera także obszerną analizę włókna o wysokiej dwójłomności rzędu 10-3, w którym anizotropię otrzymano poprzez podfalową strukturyzację obszaru rdzenia. Badane włókna wytworzono z dwóch różnych szkieł o wyższym nieliniowym współczynniku załamania niż w szkle krzemionkowym, co przy małych rozmiarach rdzenia (około 7×3 μm) skutkuje wzrostem współczynnika nieliniowości. W wytworzonym włóknie uzyskano płaskie profile dwójłomności i dyspersji, niespotykane w innych konstrukcjach światłowodów. Bardzo podobne charakterystyki dyspersji dla ortogonalnych modów polaryzacyjnych, z miejscem zerowym dla długości fali około 1,5 μm, spowodowały, że otrzymane widma superkontinuum przy pobudzaniu impulsami o długości fali 1,56 μm są bardzo podobnie dla obu polaryzacji. Pompowanie laserami impulsowymi włókien nieliniowych, które zwykle cechują się wysoką tłumiennością na poziomie kilku dB/m, wiąże się z dyssypacją energii w postaci ciepła. Z kolei wzrost temperatury zmienia właściwości optyczne światłowodu i może mieć wpływ na generację efektów nieliniowych. W pracy zaproponowano metodę pomiaru dyspersji światłowodów w funkcji temperatury, a następnie przeprowadzono badania wpływu temperatury na dyspersję we włóknach nieliniowych ze szkła krzemionkowego i szkła ołowiowego. Odnotowano przesunięcie długości fali dla zerowej dyspersji o +8 nm dla włókna krzemionkowego i +18 nm dla włókna ze szkła ołowiowego przy wzroście temperatury o 400ºC. W pracy wykazano, że zmiany charakterystyki dyspersji wywołane zmianami temperatury są zbyt małe, aby znacząco wpłynąć na proces generacji superkontinuum.


Cofnij