CC BY
9ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ
150 МИЛЛИВАТТНЫЙ ХАЛЬКОГЕНИДНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР НА ДЛИНАХ ВОЛН 4.95-5.35 МКМ
1* 2 3 3
Колташев В.В. , Вельмужов А.П. , Галаган Б.И. , Денкер Б.И. , Плотниченко В.Г. , Сверчков С.Е. , Снопатин Г.Е. , Суханов М.В.
1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М.Дианова,
г. Москва
2 Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород 3Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва * E-mail: kvv@fo.gpi.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-201-202
Разработка твердотельных и волоконных лазеров для среднего инфракрасного диапазона представляет особый интерес для инфракрасной молекулярной спектроскопии в контроле промышленных процессов, медицинской диагностике, мониторинге окружающей среды, научных исследованиях.
Для многих применений наиболее удобными в использовании являются волоконные лазеры. Однако, доступные до сегодняшнего дня волоконные лазеры на фторидных стеклах не превышают длины волны 4 мкм, а область генерации лазеров на полых волокнах простирается до 4.6 мкм.
Халькогенидные стекла имеют меньшую энергию фононов по сравнению с фторидными, позволяют растворять большие концентрации редкоземельных ионов, которые в этих стёклах характеризуются большими сечениями поглощения и испускания. Все эти факторы делает халькогенидные стекла, в частности селенидные составы, перспективными для создания волоконных лазеров с длинами волн свыше 5 микрон. Современная технология получения активированных редкоземельными ионами халькогенидных стекол [1] позволила достичь за последние годы значительных успехов: была продемонстрирована лазерная генерация на объемных халькогенидных стеклах, легированных Tb3+, Pr3+, Ce3+ и Nd3+ [2-5], а также в халькогенидных световодах, легированных Tb3+ и Ce3+ [6, 7].
Одним из наиболее подходящих активаторов для волоконных лазеров является трехвалентный ион тербия. Он обладает удобными для оптической накачки полосами поглощения, широкой (4 - 5.5 мкм) полосой люминесценции с миллисекундным временем релаксации. В настоящей работе приводятся результаты исследований тербиевого волоконного лазера.
Для сердцевины световода было выбрано стекло состава Ga5Ge20Sb10Se65 с показателем
преломления 2.55, легированное ионами ТЬ в концентрации 1^10 ош" . Для оболочки использовалось нелегированное сульфидное стекло состава Ое12А8208Ь5863 с показателем преломления 2.35. Из этих материалов был изготовлен световод с 20 микронной сердцевиной в 200 микронной оболочке. Такая геометрия световода обеспечивает числовую апертуру, КА~1 и позволяет концентрировать излучение накачки и лазерной генерации в сердцевине. Измеренные на длине волны 1.56 мкм потери в световоде были на уровне 1.7 дБ/м.
Рис. 1. Схема уровней иона Tb
Рис. 2. Спектры поглощения и люминесценции, диапазон генерации
ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ
На рис. 1 представлена схема уровней иона Tb3+. На рис. 2 приведены спектры поглощения и люминесценции стекла, диапазон генерации в световоде.
Накачка осуществлялась тулиевым волоконным лазером IPG Photonics TLM-10 с длиной волны 1.908 мкм, возбуждавшей оптический переход иона тербия 7F6^7F1.
Спектры генерации регистрировались с помощью спектроанализатора ThorLabs OSA207, в качестве измерителя мощности использовался Ophir Nova II с измерительным датчиком 3A-P-SH-V1.
В экспериментах была получена генерация на различных длинах световодов, от 105 до 30 см. В качестве выходного зеркала использовался торец световода, коэффициент отражения, R, составлял 19% (n=2.55). В качестве входного использовалось приставное зеркало, обеспечивавшее пропускание порядка 70% накачки и почти 100% отражение в диапазоне 5-6 мкм.
Спектры генерации были расположены в диапазоне 4.95-5.35 мкм, и зависели от длины световода, мощности накачки, добротности резонатора. Примеры спектров генерации приведены на рис. 3.
В процессе измерений была определена оптимальная длина световода (она составила 53 см), на которой было получено максимальное значение выходной мощности — 150 мВт. При этом дифференциальная эффективность составила 4.4%, рис. 4. Также была получена генерация непосредственно на торцах световода, выходная мощность с одного торца составила 50 мВт, рис. 4.
150-
н со
100
50
L>ci = 53.0 cm овод»
M R = 100 %
: R = 19 % Л = 4.4 % L = 53.0 em ппиш : R = 19 % Muu>: R = 19 %
. ¿.-'"в ' * • • T] - 1.7 %
0.0
0.5
1.0 1.5 2.0 2.5
Р (в световоде), Вт
3.0
3.5
Рис. 3. Спектры генерации
Рис. 4. Зависимость выходной мощности генерации от _мощности накачки для разных зеркал_
Таким образом, впервые был получен волоконный лазер на халькогенидном волоконном световоде, генерация осуществлялась в диапазоне 4.95-5.35 мкм с практически значимыми выходными характеристиками. В ходе экспериментов активированный волоконный световод выдерживал накачку до 5 Вт. Оценка коэффициента усиления в световоде дает значение ~ 50 дБ/м.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант 22-22-00742.
Литература
1. M. V. Sukhanov, et al, J. of Non-Cryst. Solids, 608, 122256 (2023)
2. M. Churbanov, et al, Appl. Phys. B, 2020, 126:117 (2020)
3. M. Churbanov, et al, J. of Non-Cryst. Solids, 559, 120592 (2021)
4. P. Fjodorow, et al, Optics Express, 29, 27674 (2021)
5. M. Frolov, et al, Opt. Mat. Express, 12, 4619 (2022)
6. V. Shiryaev, et al, J. of Non-Cryst. Solids, 567, 120939 (2021)
7. V.V. Koltashev, et al, Optics and Laser Technology, 161, 109233 (2023)
