5-ТИ МИКРОННЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР НА ИОНАХ CE3+ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

5-ТИ МИКРОННЫИ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР НА ИОНАХ Ce

3+

Галаган Б.И. 1 , Вельмужов А.П. 2, Денкер Б.И. 1, Колташев В.В. 3, Плотниченко В.Г. 3, Сверчков С.Е. 1, Снопатин Г.Е. 2, Суханов М.В. 2, Фролов М.П. 4

1 Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, г. Москва 2 Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г.Девятых РАН, г. Нижний Новгород 3Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М.Дианова,

г. Москва

4 Физический институт имени П.Н.Лебедева РАН, г. Москва * E-mail: galagan@ran.gpi.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-203-204

В работе [1] было показано, что в селенидном стекле целый ряд оптических переходов редкоземельных ионов в области 4-6 мкм имеют высокие квантовые выхода люминесценции и миллисекундные времена релаксации. К настоящему времени уже продемонстрирована лазерная

генерация на переходах ионов Се , Рг , Nd , ТЬ в селенидном стекле. Важно отметить, что этому поспособствовала разработка технологии получения высокочистых составов стекол с минимальным содержанием примесных групп Ge-H и Se-H, имеющих полосы поглощения на 4.95 мкм и 4.54 мкм. Среди перечисленных лазерных ионов трёхвалентный церий имеет наибольшие значения сечений как поглощения так и излучения (~ 4*10-20 см2). В отличие от других ионов церий имеет лишь два электронных уровня, соответствующих основному состоянию 2Р5/2 и возбуждённому 2Р7/2. Поэтому его оптическая накачка должна осуществляться либо резонансно, в коротковолновую часть спектра поглощения, либо с использованием иона-сенсибилизатора. Как показали исследования, эффективным сенсибилизатором является ион диспрозия Бу3+ [2]. Однако, такая схема ещё требует дополнительной оптимизации. Исследования лазеров с резонансной накачкой объёмных цериевых активных элементов при помощи импульсных Fe2+:ZnSe лазеров [3] показали не только их

эффективность, но и возможность значительной спектральной перестройки (4.5-5.6 мкм) излучения генерации (см. Рис. 1).

Наибольший интерес представляет реализация цериевого лазера в волоконном исполнении. Первые попытки были сделаны в работе [4], где авторы для оптической накачки использовали квантовый каскадный лазер с длиной волны 4.15 мкм и наблюдали существенную деформацию спектра излучения С с'1 при увеличении мощности накачки. Пороговый характер этой деформации был интерпретирован как возникновение лазерной генерации в световоде.

В настоящей работе представлены результаты исследований спектральных и временных характеристик лазерного излучения в халькогенидном световоде, активированном церием. В качестве источника накачки использовался непрерывный лазер на Fe2+:ZnSe, излучающий на длине волны 4.16 мкм.

Сердцевина активированного волокна была изготовлена из стекла Ge20Ga5Sbl0Se65 и имела диаметр 21 мкм. Концентрация церия в сердцевине составляла 5.5*1018 см-3. Оболочка диаметром 240 мкм была изготовлена из стекла Ge12As20Sb5S63. На рис. 2 представлены изображения торца волокна. Благодаря большой разнице между показателями преломления сердцевины и оболочки (2.55 и 2.35 соответственно) волокно было очень многомодовым и имело числовую апертуру NA ~ 1, что легко позволяло удерживать в сердцевине как излучение накачки, так и лазера. Были исследованы два резонатора волоконного лазера: резонатор низкой добротности, образованный просто

4.4 4.6 4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 6.4 5.5 6.6 Wavelength (цт)

Рис. 1. Зависимость выходной энергии цериевого лазера от длины волны генерации

двумя торцами волокна (каждый из которых отражал около 19%), и резонатор с более высокой добротностью с дополнительным диэлектрическим зеркалом. Зеркало, отражающее ~ 70% в спектральном диапазоне 4.5-6 мкм, находилось непосредственно рядом с торцом волокна.

В отсутствие дополнительного зеркала порог генерации достигался при мощности накачки в 14 мВт. Максимальная выходная мощность ограничивалась мощностью имеющегося лазера на Рс2 :2п8с в 70 мВт (см. Рис. 3).

Таким образом, с учетом двунаправленной генерации достигнутая выходная мощность превышала 1 мВт, а дифференциальный КПД составил 2%.

Особое внимание было уделено спектральным исследованиям излучения генерации. Оказалось, что для низкодобротного резонатора, то есть образованного лишь торцами световода, длина волны генерации устойчиво находилась вблизи 4.62 мкм (см. Рис. 4 А). Напротив, в присутствии дополнительного зеркала длина волны генерации перескакивала к 5.1 мкм (см. Рис. 4 В). Для объяснения эффекта перескока длины волны генерации были проведены расчёты зависимости сечения усиления (оёат) от уровня возбуждения ионов церия

Input power, mW

Рис. J. Мощность цериевого волоконного лазера ни выходе одного торца в зависимости от

Pump

Lasing

I 141 П" JJ

■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ " I ■ ■ ■ ■ | TV'. 1 ! . ■ ■ ■ [

ill 4.1 J2 J.J 4.4

*S 4.« 4.7 4.8 4.1 Wuvelenglith, ,im

5.11 5.1 5.2 5.J

Рис. 4. Спектры излучения накачки и генерации для двух шипов резонаторов цериевого лазера

2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1,0 -1.5 -2.0

lasing

lasing

CL 70%

Ё. J

4._50%J

40%\ 1

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Wavelength, 11т

6.0

6.5

Рис. 5. Спектральная зависимость сечения усиления от уровня возбуждения ионов церия

Ogam = Р X Оет - (1 - Р) X Oabs. ЗдеСЬ Р - урОВеНЬ возбуждения, oabs и оет - сечения соответственно поглощения и испускания. Проведенные расчёты позволили уверено объяснить причину спектральных особенностей излучения цериевого лазера в неселективном резонаторе. Как видно из Рис. 5 при превышении уровня возбуждения в 60% максимум в сечении усиления переходит с плато вблизи 5-5.1 мкм на узкий пик с длиной волны 4.62 мкм.

Таким образом, впервые исследованы спектральные и

временные характеристики халькогенидного волоконного лазера, легированного Се1 и накачиваемого непрерывным лазером на Fe ZnSe. В случае низкой добротности лазер работал на длине волны X = 4.62 мкм, соответствующей узкому пику в спектре излучения Сс'1 . В случае высокой добротности длина волны излучения изменялась до 5.05.1 мкм, что соответствует плато в спектре усиления. Была продемонстрирована выходная мощность порядка 1 мВт с дифференциальным КПД ~ 2%.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант 22-22-00742.

Литература

1. Churbanov М., et al, J. Luminescence, 245, 118756 (2022)

2. Churbanov M., et al, J. Luminescence, 231, 117809 (2021)

3. Fjodorow P., et al, Optics Express, 29, 27674 (2021)

4. Nunes J., et al, Opt. Lett. 46, 3504 (2021)