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

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.

Photonic crystal fibers have been of interest for over twenty years. The flexibility of dispersive properties engineering through the structure selection and high optical power density in the core make them very useful in nonlinear optics. It has been quickly noticed, that optical pumping in anomalous dispersion range with high energy pulses can create the optical solitons and next their break up. In the presence of other nonlinear phenomena the pulse spectrum broadens significantly, which is called supercontinuum generation. Supercontinuum spectrum can extend to the infrared range, becoming a very convenient light source for a multitude of applications in science. The most commonly used fused silica glass has limited transmission in the infrared up to 2.4 μm. Therefore, many works are focused on the synthesis of glasses with improved transmission at the infrared wavelengths and with high nonlinear index of refraction, which are additionally not susceptible to crystallization during thermal processing. In may work I prove, that photonic crystal fibers made of novel heavy metal oxide glasses enable supercontinuum generation in the near and, when pumping in anomalous dispersion regime. Furthermore, I show that optical pumping can be realized with the relatively low-cost and low-complex fiber lasers operating in the third telecom window (about 1.55 μm). In my thesis, two different approaches to dispersion tailoring in the fibers are proposed. The first, typical method is based on air-glass structure modification of the photonic cladding. The new concept is subwavelength structuring of the core area itself, which is surrounded by a solid glass cladding. In this thesis, the linear optical properties of the selected photonic crystal fibers made of lead-bismuth-gallate glass and tellurite glass were investigated. The supercontinuum spectrum broad over one octave was generated and its features were discussed. Promising results encouraged to perform the dispersion optimization process. As a consequence of this optimization, the fiber structure with three different filling factors was developed and further successfully fabricated and investigated. Obtained flat dispersion profile and high nonlinearity of the fiber enabled to generate supercontinuum in spectral range from 0.8 μm to 2.4 μm when pumping at a wavelength of 1.56 μm with 400 fs pulses. I also present results on the fiber made of tellurite glass with regular, hexagonal structure of cladding, which fabrication process was a technological challenge. Such a construction provides more efficient heat dissipation from the core in comparison to typical tellurite fibers with suspended core. In the examined fiber, supercontinuum spectrum in the infrared was limited to 2.5 μm due to high and broad absorption peak of OH– ions contained in the glass. This dissertation also includes extensive analysis of the highly birefringent fiber (B ~ 10-3), in which the artificial anisotropy was obtained by subwavelength structure of the core. Investigated fiber was fabricated with two different thermally matched glasses characterized by higher nonlinear refractive index than in fused silica glass. Additionally, small size of the core (about 7×3 μm) increases nonlinear coefficient. This unique fiber construction results in flat dispersion and birefringence characteristics, which was not observed in another types of highly birefringent fibers. Due to very similar dispersion profiles for the orthogonal polarized modes, with zero dispersion wavelength around 1.5 μm, obtained supercontinuum spectra are almost the same for both polarization modes. The use of high energy pulse laser for pumping of the nonlinear fibers, which are usually characterized by high attenuation at the level of a few dB/m, is associated with dissipation of energy into heat. It causes temperature rise inside the fiber, which can change the optical properties and affect the generation of nonlinear effects. In this work I propose a method of dispersion measurement as a temperature function in range of 20ºC - 420ºC. Next, two types of fibers for nonlinear application were investigated. For the silicate fiber, the zero dispersion wavelength was shifted by +8 nm for temperature change of 400 ºC, but for the fiber made of heavy metal oxide glass the shift was more significant and reached +18 nm. However, thermal influence on dispersion characteristics is too low to have an impact on the process of supercontinuum generation.